Question

9．硫酸铜是一种应用极其广泛的化工原料．制备硫酸铜是无机化学实验教学中一个重要的实验．由于铜不能与稀硫酸直接反应，实验中将浓硝酸分次加入到铜粉与稀硫酸中，加热使之反应完全，通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体（装置如图1、2所示）．

（1）图1中，烧瓶中发生的离子反应方程式为Cu+4H⁺+2NO₃^-═Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O或3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O．
（2）图2是图1的改进装置，改进的目的是可防止倒吸，NO、NO₂有毒气体能被完全吸收．
（3）为符合绿色化学的要求，某研究性学习小组进行如下设计：
第一组：空气为氧化剂法
方案1：以空气为氧化剂．将铜粉在仪器B中反复灼烧，使铜与空气充分反应生成氧化铜，再将氧化铜与稀硫酸反应．
方案2：将空气或氧气直接通入到铜粉与稀硫酸的混合物中，发现在常温下几乎不反应．向反应液中加FeSO₄或Fe₂（SO₄）₃，反应完全后，向其中加物质甲调节pH到3～4，产生Fe（OH）₃沉淀，过滤、蒸发、结晶，滤渣作催化剂循环使用．（已知Fe（OH）₃和Cu（OH）₂完全沉淀时的pH分别为3.7、6.4．）请回答下列问题：
①方案1中的B仪器名称是坩埚．
②方案2中甲物质是b（填字母序号）．
a、CaO            b、CuCO₃          c、CaCO₃
第二组：过氧化氢为氧化剂法
将3.2g铜丝放到45mL 1.5mol/L的稀硫酸中，控温在50℃．加入18mL 10%的H₂O₂，反应0.5h后，升温到60℃，持续反应1h后，过滤、蒸发结晶、减压抽滤等，用少量95%的酒精淋洗后晾干，得CuSO₄•5H₂O 10.6g．请回答下列问题：
③该反应的离子反应方程式为Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O．
④上述两种氧化法中，更符合绿色化学理念的是第二组（填“第一组”或“第二组”），理由是第一组中的方案1需要加热，消耗能源，方案2所得产品含有铁元素杂质，而第二组方案几乎不产生有害气体，且所得产品纯度较高．

Answer 1

分析 （1）图1中，烧瓶中，铜和浓硝酸反应生成硝酸铜、二氧化氮和水，随着反应的进行，浓硝酸变成稀硝酸，稀硝酸和铜反应生成硝酸铜和一氧化氮、水．
（2）根据一氧化氮的性质及尾气处理装置分析；
（3）①方案1中，将铜在坩埚中灼烧生成氧化铜，氧化铜与稀硫酸反应生成硫酸铜；
②方案2中，铜与硫酸铁反应生成硫酸铜、硫酸亚铁，通入氧气，将亚铁离子氧化成硫酸铁，然后为保证不引入杂质，可加入氧化铜、碳酸铜等调节pH值除去铁离子，过滤、蒸发、结晶得到硫酸铜晶体；
③铜在酸性条件能被双氧水氧化；
④对比两种方案时从能量消耗、产品纯度、是否产生有害物质等分析．

解答 解：（1）图1中，烧瓶中将适量浓硝酸分多次加入到铜粉与稀硫酸的混合物中，铜粉与稀硫酸不反应，铜与浓硝酸反应，Cu+4H⁺+2NO₃^-═Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O，随着反应的进行，浓硝酸变成稀硝酸，稀硝酸和铜反应生成硝酸铜和一氧化氮、水，3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，
故答案为：Cu+4H⁺+2NO₃^-═Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O或3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；
（2）改进前，二氧化氮和水反应生成硝酸和一氧化氮，一氧化氮有毒且和水不反应，所以NO、NO₂有毒气体不能被完全吸收，且二氧化氮和氢氧化钠反应后，导管内压强减小，易产生倒吸现象；改进后，通入氧气，氧气、一氧化氮、二氧化氮、水反应完全生成硝酸被氢氧化钠吸收，且中间储气瓶有缓冲作用，防止倒吸，NO、NO₂有毒气体能被完全吸收，
故答案为：可防止倒吸，NO、NO₂有毒气体能被完全吸收；
（3）①加热固体应在坩埚中进行，
故答案为：坩埚；
②铜与硫酸铁反应生成硫酸铜、硫酸亚铁，通入氧气，将亚铁离子氧化成硫酸铁，为保证不引入杂质，可以加入氧化铜、碳酸铜等调节pH值可除去铁离子，过滤、蒸发、结晶得到硫酸铜晶体，
故答案为：b；
③铜在酸性条件能被双氧水氧化，离子方程式Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O，
故答案为：Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O；
④第一组方案1需要灼烧，所以多消耗能源；第一组方案2所得产品含有铁元素杂质，产品不纯；第一组方案1产生有毒气体氮的氧化物，而第二组方案几乎不产生有害气体，且所得产品纯度较高；
故答案为：第二组；第一组中的方案1需要加热，消耗能源，方案2所得产品含有铁元素杂质，而第二组方案几乎不产生有害气体，且所得产品纯度较高．

点评 本题考查硫酸铜制备实验方案的设计化学实验，意在考查对化学实验原理、实验设计和实验结论的运用能力，主要是对实验原理的理解、实验方案的评价、实验装置的理解与评价，实验是高考中的重点内容，题型以选择题和填空题为主，考查的内容常以典型的实验基本操作及正误判断等为主，题目难度中等．