Question

16．實驗室以含有少量鐵的粗銅粉和硫酸與硝酸的混合溶液為原料制備CuSO₄•5H₂O（膽礬）晶體．設計的工藝流程圖如圖1：
請回答下列問題：
（1）根據(jù)反應原理，操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理論配比（物質的量之比）為2：3．操作②中需要把NO與O₂氣體混合通入水中，混入該氣體的目的是2NO+O₂=2NO₂、4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃（用化學方程式表示）．
（2）溶液I中存在一定濃度的Fe³⁺、Cu²⁺，在該濃度時生成氫氧化物沉淀的pH如右表．操作③中某學生設計物質X為H₂O，若加水調整溶液pH，則Fe（OH）₃開始沉淀的pH=1.9（填“＜”、“＞”或“=”）；而實際操作中一般不用此法調節(jié)溶液pH，其主要原因是不利于蒸發(fā)濃縮．

	開始沉淀	沉淀完全
Fe3+	1.9	3.2
Cu2+	4.7	6.7

（3）操作④中物質Y為稀硫酸．查閱資料知CuSO₄•5H₂O的溶解度曲線如圖2所示，則操作⑤應采取的措施是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥等．
（4）為測定膽礬中結晶水的數(shù)目，稱取25.0g膽礬品體在坩堝中加熱，固體質量隨溫度升高而變化的曲線如圖3．當固體質量為8.0g時，觀察到固體完全呈黑色．請列式計算開始稱取的膽礬中結晶水的數(shù)目．

Answer 1

分析 向稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中加入粗銅，發(fā)生的離子反應方程式為3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O，將生成的NO和O₂的混合氣體通入混合溶液中，發(fā)生的反應為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，能防止NO污染空氣且能減少浪費；調節(jié)溶液的pH，將生成的Fe ³⁺轉化為Fe（OH）₃沉淀，然后過濾得到沉淀Fe（OH）₃，向濾液中加入硫酸，然后蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾得到CuSO₄•5H₂O晶體；
（1）根據(jù)反應方程式3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O中氫離子和硝酸根關系確定操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理論配比（物質的量之比）；
操作②中把生成的NO和氧氣混合通入水中，它們之間發(fā)生反應能生成硝酸；
（2）Fe³⁺在pH=1.9時開始產(chǎn)生沉淀；實際操作中一般不用加水法調節(jié)溶液pH，因為加入水會導致溶液體積增大，溶液體積太大不利于蒸發(fā)濃縮；
（3）操作④中物質Y有利于生成硫酸銅晶體；
從溶液中獲取晶體的措施是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥等；
（4）當固體質量為8.0g時，觀察到固體完全呈黑色，則此時黑色固體是CuO，n（CuO）=$\frac{8.0g}{80g/mol}$=0.1mol，根據(jù)Cu原子守恒得n（CuO）=n（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol，則m（CuSO₄•xH₂O）=n（CuSO₄•xH₂O）．M（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol×（160+18x）g/mol=25.0g，據(jù)此計算x值．

解答 解：向稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中加入粗銅，發(fā)生的離子反應方程式為3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O，將生成的NO和O₂的混合氣體通入混合溶液中，發(fā)生的反應為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，能防止NO污染空氣且能減少浪費；調節(jié)溶液的pH，將生成的Fe ³⁺轉化為Fe（OH）₃沉淀，然后過濾得到沉淀Fe（OH）₃，向濾液中加入硫酸，然后蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾得到CuSO₄•5H₂O晶體；
（1）根據(jù)反應方程式3Cu+8H⁺+2NO₃^-=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O、Fe+NO₃^-+4H⁺=Fe³⁺+NO↑+2H₂O中氫離子和硝酸根物質的量之比為4：1，一個硝酸分子提供一個H⁺、每個硫酸分子提供2個H⁺，要使混合溶液中n（H⁺）：n（NO₃^-）=4：1，則與操作①所需的混酸溶液中硝酸和硫酸的理論配比（物質的量之比）2：3；
操作②中把生成的NO和氧氣混合通入水中，它們之間發(fā)生反應能生成硝酸，所以加入物質是O₂，發(fā)生的反應為2NO+O₂=2NO₂、4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案為：2：3；O₂；2NO+O₂=2NO₂、4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃；
（2）根據(jù)表中數(shù)據(jù)知，F(xiàn)e³⁺在pH=1.9時開始產(chǎn)生沉淀；實際操作中一般不用加水法調節(jié)溶液pH，因為加入水會導致溶液體積增大，溶液體積太大不利于蒸發(fā)濃縮，故答案為：=；不利于蒸發(fā)濃縮；
（3）硫酸銅是強酸弱堿鹽，加熱時銅離子水解，為抑制水解，可以向濾液中加入稀硫酸，所以操作④中物質Y是稀硫酸；
從溶液中獲取晶體的措施是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥等，
故答案為：稀硫酸；冷卻結晶；
（4）當固體質量為8.0g時，觀察到固體完全呈黑色，則此時黑色固體是CuO，n（CuO）=$\frac{8.0g}{80g/mol}$=0.1mol，根據(jù)Cu原子守恒得n（CuO）=n（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol，
則m（CuSO₄•xH₂O）=n（CuSO₄•xH₂O）．M（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol×（160+18x）g/mol=25.0g，x=$\frac{\frac{25.0g}{0.1mol}-160g/mol}{18g/mol}$=5，
答：n（CuO）=$\frac{8.0g}{80g/mol}$=0.1mol，根據(jù)Cu原子守恒得n（CuO）=n（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol，則m（CuSO₄•xH₂O）=n（CuSO₄•xH₂O）．M（CuSO₄•xH₂O）=0.1mol×（160+18x）g/mol=25.0g，x=$\frac{\frac{25.0g}{0.1mol}-160g/mol}{18g/mol}$=5．

點評 本題考查物質制備，為高頻考點，側重考查學生對物質性質、基本操作方法、除雜等知識點的掌握，明確流程圖中發(fā)生的反應及基本操作是解本題關鍵，同時考查學生知識靈活運用能力，綜合性較強，題目難度中等．