Question

7．硫酸銅是一種用途廣泛的化工原料．某學習小組把適量濃硝酸分多次加入到銅粉與稀硫酸的混合物中，加熱使之反應完全．通過蒸發、結晶得到硫酸銅晶體（裝置如圖I、Ⅱ所示）

（1）燒瓶中發生反應的化學方程式為3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O．
（2）圖Ⅱ是圖I的改進裝置．其優點有增加了安全瓶；有利于有毒氣體被完全吸收．
（3）為符合綠色化學的要求，該學習小組進行了如下探究：將氧氣直接通入到銅粉與稀硫酸的混合物中，發現常溫下幾乎不反應，但向混合物中加入FeSO₄后再通入氧氣，反應則立即發生．
①試用離子方程式表示反應發生的原理2Cu+4H⁺+O₂$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2Cu²⁺+2H₂O；在該反應中FeSO₄的作用是催化劑．
②已知pH≥4.4時Cu²⁺以Cu（OH）₂的形式開始沉淀，pH≥6.4時完全沉淀；Fe（OH）₃完全沉淀時的pH為3.7，又測得反應完成后溶液呈強酸性．請設計一個除去所得溶液中雜質離子的實驗方案向反應后的溶液中加入CuO[或Cu（OH）₂或CuCO₃]，調節溶液的pH3.7～4.4，將沉淀濾去．
（4）為尋找更加適宜的氧化劑，該小組又進行了如下探究：稱量3.2g銅絲放到45mL 1.5mol•L^-1的稀硫酸中，控溫在50℃，加入18mL 10%的H₂O₂，反應30min后升溫到60℃，持續反應1小時后銅絲反應完全．蒸發、冷卻、結晶，過濾時用少量95%的酒精淋洗晾干，得到10g CuSO₄•5H₂O．
①該實驗銅絲被氧化的原理是（用離子方程式襲示）Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O．
②反應過程中溫度不宜過高的原因是防止雙氧水分解，過濾時采用酒精淋洗的優點是酒精極易蒸發帶走水分，加速晶體晾干，減少晶體的溶解；該小組得到硫酸銅晶體的實際產率是80%．

Answer 1

分析 （1）燒瓶中發生Cu與稀硝酸的氧化還原反應；
（2）圖Ⅱ中中間的裝置可防止倒吸，并發生氮的氧化物與水的反應；
（3）①在酸性條件下，銅單質能被氧氣氧化為銅離子；
②調節溶液的pH3.7～4.4；
（4）①銅在酸性條件能被雙氧水氧化；
②過氧化氫不穩定，溫度過高易分解生成水和氧氣；酒精極易蒸發帶走水分；根據銅原子守恒得銅和五水硫酸銅的關系，求出CuSO₄•5H₂O 質量，然后求出產率．

解答 解：（1）燒瓶中發生Cu與稀硝酸的氧化還原反應，化學方程式為3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O，故答案為：3Cu+8HNO₃═3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O
或Cu+4HNO₃═Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O；
（2）由裝置比較可知，圖Ⅱ中多出的裝置能①溶液不導管不直接接觸，防止倒吸，②NO與氧氣及堿反應，使有害氣體能被完全吸收，故答案為：增加了安全瓶；有利于有毒氣體被完全吸收；
（3）①在酸性條件下，銅單質能被氧氣氧化為銅離子，離子方程式：2Cu+4H⁺+O₂$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2Cu²⁺+2H₂O，FeSO₄作催化劑，故答案為：2Cu+4H⁺+O₂$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2Cu²⁺+2H₂O或4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺；催化劑；
②加入CuO[或Cu（OH）₂或CuCO₃]，調節溶液的pH3.7～4.4，將沉淀濾去，故答案為：向反應后的溶液中加入CuO[或Cu（OH）₂或CuCO₃]，調節溶液的pH3.7～4.4，將沉淀濾去；
（4）①銅在酸性條件能被雙氧水氧化，離子方程式Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O，故答案為：Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O；
②根據雙氧水加熱易分解的性質分析，過氧化氫不穩定，溫度過高易分解生成水和氧氣；酒精極易蒸發帶走水分，加速晶體晾干，減少晶體的溶解；設3.2g銅生成五水硫酸銅的質量為xg，根據銅原子守恒得銅和五水硫酸銅的關系式為：
Cu→CuSO₄•5H₂O
64g  250g
3.2g  xg
所以x=12.5
理論上生成CuSO₄•5H₂O 12.5克，故產率為$\frac{10g}{12.5g}$×100%=80%，故答案為：防止雙氧水分解；酒精極易蒸發帶走水分，加速晶體晾干，減少晶體的溶解；80%．

點評 本題考查硫酸銅制備實驗方案的設計，明確裝置的作用及發生的氧化還原反應是解答本題的關鍵，注意除雜的方法及物質的成分、性質的差異、鹽類水解的知識來解答，綜合性較強，題目難度較大．