Question

19．孔雀石主要成分是Cu₂（OH）₂CO₃，還含少量FeCO₃及Si的化合物，實(shí)驗(yàn)室以孔雀石為原料制備硫酸銅晶體的步驟如圖：

（1）步驟Ⅱ中試劑①是b（填代號(hào)）．
a．KMnO₄　　　　　b．H₂O₂         c．Fe粉          d．KSCN
（2）步驟Ⅳ獲得硫酸銅晶體，需要經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾等操作．
（3）高鐵酸鉀（K₂FeO₄）具有高效的消毒作用，為一種新型非氯高效消毒劑，它可以通過(guò)Fe（OH）₃與NaCIO和NaOH的混合液制備，寫(xiě)出此離子方程式：2Fe（OH）₃+3C1O^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3C1^-+5H₂O．在堿性鋅電池中，用高鐵酸鉀作為正極材料，電池反應(yīng)為：2K₂FeO₄+3Zn═Fe₂O₃+ZnO+2K₂ZnO₂該電池正極發(fā)生的反應(yīng)的電極反應(yīng)式為：2FeO₄^2ˉ+6eˉ+5H₂O=Fe₂O₃+10OHˉ．
（4）步驟Ⅲ加入CuO目的是調(diào)節(jié)溶液的pH．查閱有關(guān)資料得到如下數(shù)據(jù)，常溫下Fe（OH）₃的溶度積常數(shù)K_sp=8.0×10^-38，Cu（OH）₂的溶度積常數(shù)K_sp=3.0×10^-20，通常認(rèn)為殘留在溶液中的離子濃度小于1×10^-5 mol•L^-1時(shí)就認(rèn)為沉淀完全．設(shè)溶液2中Cu²⁺的濃度為3.0mol•L^-1．步驟Ⅲ加入CuO目的是調(diào)節(jié)溶液的pH，根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)調(diào)節(jié)溶液的pH范圍是3.3≤pH＜4．（已知 lg5=0.7）
（5）測(cè)定硫酸銅晶體（CuSO₄•xH₂O）中結(jié)晶水的x值：稱取2.4g硫酸銅晶體，加熱至質(zhì)量不再改變時(shí)，稱量粉末的質(zhì)量為1.6g．則計(jì)算得x=4.4（計(jì)算結(jié)果精確到0.1）．

Answer 1

分析 孔雀石的主要成分為Cu₂（OH）₂CO₃，還含少量FeCO₃、Si的化合物，加入稀硫酸反應(yīng)后生成二氧化碳?xì)怏w，過(guò)濾得到二氧化硅固體，得到濾液1為硫酸銅、硫酸亞鐵溶液，“除雜”時(shí)先通入足量過(guò)氧化氫將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，得到溶液2為硫酸銅、硫酸鐵溶液，再加入CuO固體調(diào)節(jié)溶液pH，沉淀鐵離子生成氫氧化鐵沉淀；過(guò)濾得到濾液為硫酸銅溶液，濾液3為硫酸銅溶液，通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾洗滌得到硫酸銅晶體；
（1）步驟Ⅱ中加入試劑①的目的是氧化亞鐵離子為鐵離子，便于除去，所加試劑能和亞鐵離子反應(yīng)且不能引入新的雜質(zhì)；
（2）溶液中得到溶質(zhì)的方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾洗滌；
（3）NaClO與Fe（OH）₃在強(qiáng)堿性條件下反應(yīng)制得K₂FeO₄，F(xiàn)e元素的化合價(jià)升高，則Cl元素的化合價(jià)降低，結(jié)合電子、電荷守恒解答，在堿性鋅電池中，鋅做負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，K₂FeO₄在正極發(fā)生還原反應(yīng)生成氧化鐵，據(jù)此書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式，注意電解質(zhì)溶液為堿性溶液；
（4）步驟Ⅲ加入CuO目的是調(diào)節(jié)溶液的pH使鐵離子沉淀完全，同時(shí)銅離子不沉淀，依據(jù)常溫下Fe（OH）₃和Cu（OH）₂的溶度積常數(shù)計(jì)算溶液中的氫離子濃度，據(jù)此判斷pH范圍；
（5）稱量粉末的質(zhì)量為1.6g為硫酸銅質(zhì)量，受熱前后質(zhì)量變化為結(jié)晶水的質(zhì)量，結(jié)合化學(xué)方程式CuSO₄•xH₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+xH₂O計(jì)算x．

解答 解：孔雀石的主要成分為Cu₂（OH）₂CO₃，還含少量FeCO₃、Si的化合物，加入稀硫酸反應(yīng)后生成二氧化碳?xì)怏w，過(guò)濾得到二氧化硅固體，得到濾液1為硫酸銅、硫酸亞鐵溶液，“除雜”時(shí)先通入足量過(guò)氧化氫將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，得到溶液2為硫酸銅、硫酸鐵溶液，再加入CuO固體調(diào)節(jié)溶液pH，沉淀鐵離子生成氫氧化鐵沉淀；過(guò)濾得到濾液為硫酸銅溶液，濾液3為硫酸銅溶液，通過(guò)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過(guò)濾洗滌得到硫酸銅晶體；
（1）步驟Ⅱ中加入試劑①的目的是氧化亞鐵離子為鐵離子，便于沉淀除去，所加試劑能和亞鐵離子反應(yīng)且不能引入新的雜質(zhì)，
a．KMnO₄溶液加入后，能氧化亞鐵離子，但會(huì)引入鉀離子、錳離子，故a不符合；　　　　
b．加入H₂O₂會(huì)氧化亞鐵離子為鐵離子，過(guò)氧化氫被還原為水，不引入雜質(zhì)，故b符合；       
c．Fe粉不能氧化亞鐵離子，故c不符合；          
d．加入KSCN溶液結(jié)合鐵離子形成絡(luò)合物，不能氧化亞鐵離子，亞鐵離子的存在會(huì)干擾硫酸銅晶體的析出，故d不符合；
故答案為：b；
（2）操作Ⅳ是溶液中得到溶質(zhì)的方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾洗滌；
故答案為：蒸發(fā)濃縮；冷卻結(jié)晶；
（3）NaClO與Fe（OH）₃在強(qiáng)堿性條件下反應(yīng)制得K₂FeO₄，F(xiàn)e元素的化合價(jià)升高，則Cl元素的化合價(jià)降低，由電子、電荷守恒可知離子反應(yīng)為2Fe（OH）₃+3C1O^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3C1^-+5H₂O，在堿性鋅電池中，鋅做負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，K₂FeO₄在正極發(fā)生還原反應(yīng)生成氧化鐵，正極的電極反應(yīng)式為2FeO₄^2ˉ+6eˉ+5H₂O=Fe₂O₃+10OHˉ，
故答案為：2Fe（OH）₃+3C1O^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3C1^-+5H₂O；2FeO₄^2ˉ+6eˉ+5H₂O=Fe₂O₃+10OHˉ；
（4）Cu（OH）₂的溶度積K_sp=3.0×10^-20，溶液中CuSO₄的濃度為3.0mol•L^-1，c（Cu²⁺）=3.0mol•L^-1；依據(jù)溶度積常數(shù)c（Cu²⁺）×c²（OH^-）=3.0×10^-20；c²（OH^-）=$\frac{3.0×10{\;}^{-20}}{3.0}$=10^-20；得到c（OH^-）=10^-10mol/L，依據(jù)水溶液中的離子積c（H⁺）×c（OH^-）=10^-14；求的c（H⁺）=10^-4mol/L，溶液pH=4，則Cu（OH）₂開(kāi)始沉淀時(shí)溶液的pH為4；殘留在溶液中的離子濃度小于1×10^-5 mol•L^-1時(shí)就認(rèn)為沉淀完全，F(xiàn)e（OH）₃的溶度積K_sp=8.0×10^-38，c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=8.0×10^-38；c³（OH^-）=$\frac{8.0×10{\;}^{-38}}{1×10{\;}^{-5}}$=8.0×10^-33；求得c（OH^-）=2×10^-11mol/L；水溶液中的離子積c（H⁺）×c（OH^-）=10^-14；c（H⁺）=5×10^-4mol/L，則pH=3.3；所以要除去Fe³⁺而不損失Cu²⁺溶液的pH范圍是3.3≤pH＜4，
故答案為：3.3≤pH＜4；
（5）稱取2.4g硫酸銅晶體，加熱至質(zhì)量不再改變時(shí)，稱量粉末的質(zhì)量為1.6g為硫酸銅質(zhì)量，n（CuSO₄）物質(zhì)的量=$\frac{1.6g}{160g/mol}$=0.01mol，受熱質(zhì)量減少2.4g-1.6g=0.8g，水的物質(zhì)的量=$\frac{0.8g}{18g/mol}$=0.044mol；
CuSO₄•xH₂O$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+xH₂O
              1     x
         0.01mol    0.044mol
 x=4.4
故答案為：4.4．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)分離方法和提純的應(yīng)用，涉及物質(zhì)性質(zhì)的理解應(yīng)用、電化學(xué)知識(shí)、溶液pH值的計(jì)算等，綜合性強(qiáng)，掌握實(shí)驗(yàn)基本操作和流程分析是關(guān)鍵，題目難度中等．