Question

1．某学生欲用电解纯净CuSO₄ 溶液的方法来测定铜的相对原子质量．其实验过程如图1所示：

（1）步骤①所加的A的化学式为CuO；已知：常温下Fe（OH）₃的溶度积K_sp=8.0×10^-38，Cu（OH）₂的溶度积K_sp=3.0×10^-20，通常认为残留在溶液中的离子浓度小于1×10^-5 mol•L^-1时就认为沉淀完全，设溶液中CuSO₄的浓度为3.0mol•L^-1，则加入A调PH范围是3.3＜pH≤4    （已知lg2=0.3）
（2）步骤②中所用的部分仪器如图2：则A应接在直流电源的负极（填“正”或“负”）．
（3）石墨电极上的电极反应式4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．
（4）下列实验操作中必要的是（填字母）ABDE．
A．称量电解前电极的质量
B．电解后，电极在烘干称重前，必须用蒸馏水冲洗
C．刮下电解后电极上析出的铜，并清洗、称重
D．电极在烘干称重的操作中必须按“烘干→称重→再烘干→再称重”进行
E．在有空气存在的情况下，烘干电极必须采用低温烘干的方法
（5）铜的相对原子质量为$\frac{11200n}{V}$（用带有n、V的计算式表示）．
（6）若②用甲醇-O₂-熔融碳酸盐电池提供电能，写出该电池负极的电极反应式CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-═4CO₂+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）pH为4～5的条件下，Cu²⁺几乎不水解，而Fe³⁺几乎完全水解，加入稍过量的CuO，可以得到纯净的硫酸铜溶液，故加入CuO调节pH值，Fe³⁺完全水解形成Fe（OH）₃沉淀而除去；加入A调PH范围应确保Fe³⁺沉淀完全，而Cu²⁺不沉淀，据此计算pH；
（2）由于电解硫酸铜溶液时，要求一电极增重，另一电极有气体生成，故A应做阴极，B做阳极，据此分析；
（3）石墨电极上氢氧根放电；
（4）需要准确称量生成铜的质量，铜电极前后质量之差为生成的Cu的质量，Cu电解表面会附着离子，应清洗除去，由于铜与氧气发生反应，在空气存在情况下，应低温烘干，称量两次之差小于天平的感量，说明烘干；
（5）根据电子转移守恒计算Cu的相对原子质量；
（6）甲醇-O₂-熔融碳酸盐电池中，负极上甲醇放电生成二氧化碳，据此分析电极反应．

解答 解：（1）pH为4～5的条件下，Cu²⁺几乎不水解，而Fe³⁺几乎完全水解，加入稍过量的CuO，可以得到纯净的硫酸铜溶液，故加入CuO通过消耗H⁺而调整溶液的pH使之升高，使Fe³⁺完全水解形成Fe（OH）₃沉淀而除去；加入A调PH范围应确保Fe³⁺沉淀完全，由于当Fe³⁺沉淀完全时，即溶液中Fe³⁺的浓度小于1×10^-5 mol•L^-1，故有：c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=8.0×10^-38，解得c（OH^-）＞2×10^-11mol/L，c（H⁺）＜5×10^-4mol/L，则pH＞3.3；但Cu²⁺不能沉淀，故有：c（Cu²⁺）×c²（OH^-）=3.0×10^-20，而c（Cu²⁺）=3mol/L，解得c（OH^-）≤10^-10mol/L，c（H⁺）≥10^-4mol/L，则pH≤4．即应调节溶液的pH为3.3＜pH≤4．
故答案为：CuO；3.3＜pH≤4；
（2）由于电解硫酸铜溶液时，要求一电极增重，另一电极有气体生成，故A应做阴极，电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，B做阳极，电极反应为：4OH^--4e^-+2H₂O=4OH^-，故A应连
电源的负极，故答案为：负；
（3）石墨为阳极，氢氧根放电，故电极反应为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，故答案为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；        
（4）需要准确称量生成铜的质量，铜电极前后质量之差为生成的Cu的质量，Cu电解表面会附着离子，应清洗除去，由于铜与氧气发生反应，在空气存在情况下，应低温烘干，称量两次之差小于天平的感量，说明烘干，故需要进行ABDE操作，不需要进行C操作，
故答案为：A、B、D、E；
（5）VmL氧气的物质的量为$\frac{V×1{0}^{-3}L}{22.4L/mol}$=$\frac{V}{22400}$mol，设Cu的相对原子质量为Mr，根据电子转移守恒，则：$\frac{n}{{M}_{r}}$×2=$\frac{V}{22400}$mol×4，解得Mr=$\frac{11200n}{V}$，
故答案为：$\frac{11200n}{V}$；
（6）甲醇-O₂-熔融碳酸盐电池中，负极上甲醇放电生成二氧化碳，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-═4CO₂+2H₂O，故答案为：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-═4CO₂+2H₂O．

点评 本题以测定Cu的相对原子质量为载体，考查电解原理、对工艺流程的理解、常用化学用语、化学计算等，难度中等，理解工艺流程是解题的关键，需要学生具有扎实的基础与综合运用知识分析、解决问题的能力．