Question

4．金属材料在日常生活中必不可少，铁、铜等金属及其化合物用途非常广泛．
Ⅰ．实验室欲制备Cu（NO₃）₂ 晶体，甲、乙两同学分别设计实验方案如下：
甲：Cu  $\stackrel{稀HNO_{3}}{→}$Cu（NO₃）₂     乙：Cu $\stackrel{O_{2}}{→}$CuO $\stackrel{稀HNO_{3}}{→}$Cu（NO₃）₂
（1）生成相同物质的量的Cu（NO₃）₂，消耗的HNO₃的物质的量，甲＞乙 （填＞、＜、=）．从环保角度分析，乙同学的方案更合理．
（2）乙同学想利用制备Cu（NO₃）₂晶体配置400mL 0.5mol/L的Cu（NO₃）₂溶液，需要用到的玻璃仪器有：玻璃棒、烧杯、量筒、500mL容量瓶、胶头滴管．
Ⅱ．现有一包红色粉末，某化学实验小组欲通过实验来探究是否由Cu、Fe₂O₃组成，过程如下：
（1）提出假设：
假设1．红色粉末是Cu和Fe₂O₃的混合物；
假设2．红色粉末是Fe₂O₃；
假设3．红色粉末是Cu．
（2）设计探究实验：取少量粉末放入足量稀硝酸中，在所得溶液中滴加KSCN试剂．
①若假设3成立，则实验现象是红色粉末全部溶解，溶液变为蓝色．
②为了探究假设1和假设2哪一组成立，继续向所得溶液加入足量的铁粉，若观察到现象为有红色固体析出则假设1成立．
③有同学提出，若混合物中Cu含量较少，可能加入铁粉后实验现象不明显．
查阅资料：Cu²⁺与足量氨水反应生成深蓝色溶液，Cu²⁺+4NH₃•H₂O═Cu（NH₃）₄²⁺+4H₂O．为进一步探究假设1和假设2哪一组成立，另取少量粉末加稀硝酸充分溶解后，再加入足量氨水，若假设1成立，则现象为产生红褐色沉淀，同时溶液呈深蓝色；若假设2成立，则现象为产生红褐色沉淀，同时溶液呈无色．
④另有同学认为用稀硫酸和KSCN试剂就能直接验证假设1、2、3哪个成立．请写出假设1成立时的实验操作及现象取少量粉末放入稀硫酸中，粉末部分溶解，在所得溶液中滴加KSCN试剂，溶液变为血红色．
Ⅲ．向一定量的Fe、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄的混合物中加入150mL 4mol•L^-1的稀硝酸恰好使混合物完全溶解，放出2.24L NO（标况），往所得溶液中加入KSCN溶液，无红色出现．若用足量的H₂在加热条件下还原相同质量的混合物，所得到的铁的质量为14g．

Answer 1

分析 I．（1）根据方程式Cu+4HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+2NO↑+2H₂O、CuO+2HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+H₂O，生成等物质的量的硝酸铜结合化学方程式定量关系计算判断消耗的HNO₃的物质的量，甲生成污染气体；
（2）配制400mL 0.5mol/L的Cu（NO₃）₂溶液是计算、溶解、转移、洗涤转移、定容、摇匀等步骤完成，结合步骤中实验操作选择需要的仪器；
II．（2）②红色粉末可能是Cu，可能是Fe₂O₃，也可能是Cu和Fe₂O₃的混合物．若假设3成立，取少量粉末放入足量稀硝酸中，发生反应为Cu+4HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+2NO↑+2H₂O，得到的Cu（NO₃）₂溶液为蓝色，再向溶液中滴加KSCN试剂溶液颜色无变化．若假设1或2成立，取少量粉末放入足量稀硝酸中，一定发生反应Fe₂O₃+6HNO₃=2Fe（NO₃）₃+3H₂O，可能发生反应Cu+4HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+2NO↑+2H₂O，由于一定有Fe³⁺生成，再向溶液中滴加KSCN试剂溶液都变为血红色，继续向所得溶液加入足量的铁粉，若假设1成立，由于之前反应的溶液中生成了Cu²⁺，加入铁粉会发生反应Fe+Cu²⁺=Fe²⁺+Cu，故可观察到有红色固体析出；
③若假设1成立，取少量粉末加稀硝酸充分溶解后，溶液中大量存在Fe³⁺和Cu²⁺，再加入足量氨水，会发生反应Cu²⁺+4NH₃•H₂O=Cu（NH₃）₄²⁺（深蓝色）+4H₂O和Fe³⁺+3NH₃•H₂O=Fe（OH）₃↓（红褐色）+3NH₄⁺，若假设2成立，取少量粉末加稀硝酸充分溶解后，溶液中大量存在Fe³⁺，再加入足量氨水，会发生反应Fe³⁺+3NH₃•H₂O=Fe（OH）₃↓（红褐色）+3NH₄⁺；
④若假设1成立（成分为Cu和Fe₂O₃的混合物），取少量粉末放入稀硫酸中，粉末部分溶解（Fe₂O₃溶解而Cu不溶解），发生反应Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，检验铁离子的存在；
III．因一定量的Fe、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄的混合物中加入150mL4 mol•L^-1的稀硝酸恰好使混合物完全溶解，所得溶液中加入KSCN溶液，无红色出现，则溶液中的溶质为Fe（NO₃）₂，
硝酸的物质的量是0.15L×4mol/L=0.6 mol，
其中被还原的硝酸是$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，
则没有被还原的硝酸是0.5mol．
因此根据原子守恒可知，硝酸亚铁的物质的量是0.25mol，结合铁元素守恒计算．

解答 解：I．（1）根据方程式Cu+4HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+2NO↑+2H₂O、CuO+2HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+H₂O，生成等物质的量的硝酸铜，甲方案消耗的硝酸多，故甲＞乙；甲方案中放出的氮氧化物为有毒气体，会对空气造成污染，乙方案产物只有硝酸铜和水，故从环保角度看，乙方案更合理，
故答案为：＞；乙；
（2）配制400mL 0.5mol/L的Cu（NO₃）₂溶液，需要用到的玻璃仪器有：玻璃棒、烧杯、量筒、500mL容量瓶、胶头滴管，
故答案为：500mL容量瓶、胶头滴管；
II．（2）②红色粉末可能是Cu，可能是Fe₂O₃，也可能是Cu和Fe₂O₃的混合物．若假设3成立，取少量粉末放入足量稀硝酸中，发生反应为Cu+4HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+2NO↑+2H₂O，得到的Cu（NO₃）₂溶液为蓝色，再向溶液中滴加KSCN试剂溶液颜色无变化．若假设1或2成立，取少量粉末放入足量稀硝酸中，一定发生反应Fe₂O₃+6HNO₃=2Fe（NO₃）₃+3H₂O，可能发生反应Cu+4HNO_3（稀）=Cu（NO₃）₂+2NO↑+2H₂O，由于一定有Fe³⁺生成，再向溶液中滴加KSCN试剂溶液都变为血红色，继续向所得溶液加入足量的铁粉，若假设1成立，由于之前反应的溶液中生成了Cu²⁺，加入铁粉会发生反应Fe+Cu²⁺=Fe²⁺+Cu，故可观察到有红色固体析出；若假设2成立，由于之前反应的溶液中生成了Fe³⁺，加入铁粉会发生反应Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，故可观察到铁粉逐渐减少，
故答案为：有红色固体析出；
③若假设1成立，取少量粉末加稀硝酸充分溶解后，溶液中大量存在Fe³⁺和Cu²⁺，再加入足量氨水，会发生反应Cu²⁺+4NH₃•H₂O=Cu（NH₃）₄²⁺（深蓝色）+4H₂O和Fe³⁺+3NH₃•H₂O=Fe（OH）₃↓（红褐色）+3NH₄⁺，则现象为产生红褐色沉淀，同时溶液呈深蓝色；若假设2成立，取少量粉末加稀硝酸充分溶解后，溶液中大量存在Fe³⁺，再加入足量氨水，会发生反应Fe³⁺+3NH₃•H₂O=Fe（OH）₃↓（红褐色）+3NH₄⁺，则现象为产生红褐色沉淀，同时溶液呈无色，
故答案为：产生红褐色沉淀，同时溶液呈深蓝色； 产生红褐色沉淀，同时溶液呈无色；
④若假设1成立（成分为Cu和Fe₂O₃的混合物），取少量粉末放入稀硫酸中，粉末部分溶解（Fe₂O₃溶解而Cu不溶解），发生反应Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O，在所得溶液中滴加KSCN试剂，上述反应生成的Fe³⁺会使溶液变为血红色，
故答案为：取少量粉末放入稀硫酸中，粉末部分溶解，在所得溶液中滴加KSCN试剂，溶液变为血红色；
III．因一定量的Fe、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄的混合物中加入150mL4 mol•L^-1的稀硝酸恰好使混合物完全溶解，所得溶液中加入KSCN溶液，无红色出现，则溶液中的溶质为Fe（NO₃）₂，
硝酸的物质的量是0.15L×4mol/L=0.6 mol，
其中被还原的硝酸是$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，
则没有被还原的硝酸是0.5mol．
因此根据原子守恒可知，硝酸亚铁的物质的量是0.25mol，
则铁原子的物质的量是0.25mol，所以若用足量的氢气在加热条件下还原相同质量的该混合物，
所得铁的物质的量是0.25mol，质量=0.25mol×56g/mol=14g，
故答案为：14g．

点评 本题考查了物质组成、物质性质、实验设计方案、反应现象的分析判断、元素守恒计算、离子检验等知识点，掌握基础是解题关键，题目难度中等．