Question

7．納米級Cu₂O是優良的催化劑和半導體材料，工業上常用下列方法制備Cu₂0．
（1）熱還原法：
加熱條件下，用液態肼（ N₂H₄）還原新制的Cu（ OH）₂制備Cu₂0，同時放出N₂．該反應的化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O．
（2）電解法：以氫氧燃料電池為電源，用電解法制備Cu₂0的裝置如圖所示．

①A的化學式為O₂．
②燃料電池中，OH^-的移動方向為由左向右（填“由左向右”或“由右向左”）；電解池中，陽極的電極反應式為2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O．
③電解一段時間后，欲使陰極室溶液恢復原來組成，應向其中補充一定量H₂O（填化學式）．
④制備過程中，可循環利用的物質為H₂（填化學式）．
（3）干法還原法
利用反應Cu+CuO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Cu₂O也可制備Cu₂0．將反應后的均勻固體混合物（含有三種成分）等分為兩份，一份與足量H₂充分反應后，固體質量減少6.4g；另一份恰好溶于500mL稀硝酸，生成標準狀況下4.48L NO，該稀硝酸的物質的量濃度為3.2mol•L^-1．

Answer 1

分析 本題探究熱還原法、電解法及干法還原法制備Cu₂0的原理，其中熱還原法是加熱條件下，利用液態肼（N₂H₄）還原新制的Cu（OH）₂制備Cu₂0，同時先是氮氣；電解法是利用氫氧燃料電池用銅作陽極電解氫氧化鈉溶液制得Cu₂0，同時還考查了有關電化學理論，如電極反應式、陰離子的轉移及電極的判斷等；干法還原法是利用反應Cu+CuO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Cu₂O也可制備Cu₂0，重點考查的是氧化還原反應的分析及運用物質的量進行的計算；
（1）在加熱條件下，用液態肼（N₂H₄）還原新制的Cu（OH）₂制備Cu₂0，同時放出N₂，結合質量守恒定律和氧化還原反應可寫出此反應的化學方程式；
（2）①電解池中銅為陽極，A為原電池的正極；
②原電池中，陰離子向負極移動；電解池的陽極是銅電極被氧化，可根據陽極周圍的堿性環境及電解產物來書寫電極反應式；
③電解池中發生的總反應式為2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Cu₂0+H₂↑，根據電解什么補什么的原則，可知需要補充的物質；
④燃料電池消耗的是氧氣和氫氣，電解池內溶解銅，同時得到氫氣，可知可循環利用的物質為氫氣；
（3）將Cu₂O拆分為Cu、CuO，原混合物看做Cu、CuO的混合物，其中一份用足量的氫氣還原，反應后固體質量減少6.40g為拆分后Cu、CuO的混合物中O元素的質量，O原子的物質的量為$\frac{6.4g}{16g/mol}$=0.4mol，根據Cu元素守恒可知：n（CuO）=n（O）=0.4mol；另一份中加入500mL稀硝酸，固體恰好完全溶解，溶液中溶質為Cu（NO₃）₂，且同時收集到標準狀況下NO氣體4.48L，NO的物質的量為$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，根據電子轉移守恒可知拆分后Cu、CuO的混合物中2n（Cu）=3n（NO），由銅元素守恒可知n[Cu（NO₃）₂]=n（CuO）+n（Cu），根據氮元素守恒可知n（HNO₃）=n（NO）+2n[Cu（NO₃）₂]，據此計算n（HNO₃），再根據c=$\frac{n}{V}$計算硝酸的濃度．

解答 解：（1）根據反應物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O，故答案為：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
（2）①燃料電池通氧氣的極為正極，連接電解池陽極（銅電極）的極為正確，可知氣體A為氧氣，故答案為：O₂；
②原電池內陰離子向負極移動，故燃料電池內OH-的移動方向為從左向右，電解池陽極是銅被氧化，電極反應式為2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O，故答案為：由左向右；2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O；
③電解池內發生的總反應式為2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Cu₂0+H₂↑，可知需要補充的物質是水，故答案為：H₂O；
④電解池陰極得到的氫氣可補充燃料電池消耗的氫氣，可見可循環的物質為氫氣，故答案為：H₂；
（3）將Cu₂O拆分為Cu、CuO，原混合物看做Cu、CuO的混合物，其中一份用足量的氫氣還原，反應后固體質量減少6.40g為拆分后Cu、CuO的混合物中O元素的質量，O原子的物質的量為$\frac{6.4g}{16g/mol}$=0.4mol，根據Cu元素守恒可知n（CuO）=n（O）=0.4mol；
另一份中加入500mL稀硝酸，固體恰好完全溶解，溶液中溶質為Cu（NO₃）₂，且同時收集到標準狀況下NO氣體4.48L，NO的物質的量為$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，根據電子轉移守恒可知拆分后Cu、CuO的混合物中2n（Cu）=3n（NO）=3×0.2mol，n（Cu）=0.3mol，由銅元素守恒可知n[Cu（NO₃）₂]=n（CuO）+n（Cu）=0.4mol+0.3mol=0.7mol，根據氮元素守恒可知n（HNO₃）=n（NO）+2n[Cu（NO₃）₂]=0.2mol+2×0.7mol=1.6mol，硝酸的濃度為$\frac{1.6mol}{0.5L}$=3.2 mol•L^-1，故答案為：3.2mol•L^-1．

點評 本題考查氧化還原反應原理、電化學理論、混合物的計算、守恒計算等，題目難度中等，明確反應過程是解題的關鍵，計算題采取拆分法解答，簡化計算過程，注意在學習中歸納總結．