Question

14．某金屬冶煉廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了一定量的含銅廢料．化學(xué)興趣小組利用稀硫酸和鐵粉分離回收銅，并獲得硫酸亞鐵晶體．其設(shè)計方案如圖1所示．

【查閱資料】
①在同溫同壓下，同體積的氣體含有相同的分子數(shù)目；
②在通入空氣并加熱的條件下，銅可與稀硫酸反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硫酸銅，反應(yīng)的化學(xué)方程式：2Cu+2H₂SO₄+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CuSO₄+2H₂O．
【回答問題】
（1）步驟Ⅰ中分離得到固體A和藍(lán)色溶液B的操作名稱是過濾．
（2）藍(lán)色溶液B中的溶質(zhì)是CuSO₄、H₂SO₄（填化學(xué)式）．
（3）寫出步驟Ⅲ中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑．
（4）銅制品在空氣中會發(fā)生銹蝕[銅銹的主要成分是Cu₂（OH）₂CO₃]．根據(jù)銅銹的主要成分中含有氫元素和碳元素，可以判斷出銅生銹需要空氣中的H₂O、CO₂（填化學(xué)式）．若要探究“銅生銹是否需要空氣中的氧氣？”如圖2所示實驗中，只需完成BD（填字母）兩個實驗即可達(dá)到實驗?zāi)康模?br />
【拓展研究】
（1）小明通過查閱資料，利用鐵粉、炭粉、氯化鈉等物質(zhì)又進(jìn)行了實驗（裝置如圖3），9分鐘以后測得數(shù)據(jù)如表：

實驗前的體積		實驗后的體積
集氣瓶內(nèi)空氣	量氣管內(nèi)液面所在刻度	量氣管內(nèi)液面所在刻度
150.0mL	30.8mL	0.2mL

①請計算出空氣中氧氣含量20.4%（計算結(jié)果保留一位小數(shù)）．
②炭粉和氯化鈉在本實驗中的作用是催化作用．
③若將圖3裝置中的粗鐵粉換成足量的銅粉進(jìn)行實驗，請判斷能否比較準(zhǔn)確地測定空氣中氧氣的含量，并說明理由．因為空氣中二氧化碳含量約只有0.03%，銅不能將裝置中的氧氣幾乎耗盡．

Answer 1

分析 【回答問題】根據(jù)設(shè)計方案圖1可知，廢料中的銅與氧氣反應(yīng)生成氧化銅，氧化銅與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅和水，所以藍(lán)色溶液中的溶質(zhì)中含有硫酸銅，根據(jù)藍(lán)色溶液中加入鐵有氣體產(chǎn)生，說明藍(lán)色溶液中含有過量的硫酸，所以溶質(zhì)中還含有硫酸；加入鐵粉是利用鐵與硫酸銅反應(yīng)生成銅和硫酸亞鐵，將銅置換出來，得到硫酸亞鐵，鐵與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，也是獲得硫酸亞鐵，所以加入略過量的鐵粉，過量的目的是使CuSO₄、H₂SO₄完全反應(yīng)；固體C中可能含有鐵所以先用硫酸清洗把鐵除掉，再用水沖洗，最后進(jìn)行干燥就能得到銅了；
根據(jù)質(zhì)量守恒定律分析銅生銹條件，根據(jù)對比實驗法探究銅生銹的條件分析應(yīng)進(jìn)行的實驗；
【拓展研究】（1）根據(jù)燒杯內(nèi)蒸餾水減少的體積為氧氣的體積解答；
（2）根據(jù)題中信息分析解答；
（3）根據(jù)生成銅綠的條件解答．

解答 解：【回答問題】由題意可知，廢料中的銅與氧氣反應(yīng)生成氧化銅，氧化銅與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅和水，所以藍(lán)色溶液中的溶質(zhì)中含有硫酸銅，根據(jù)藍(lán)色溶液中加入鐵有氣體產(chǎn)生，說明藍(lán)色溶液中含有過量的硫酸，所以溶質(zhì)中還含有硫酸；加入鐵粉是利用鐵與硫酸銅反應(yīng)生成銅和硫酸亞鐵，將銅置換出來，得到硫酸亞鐵，鐵與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，也是獲得硫酸亞鐵，所以加入略過量的鐵粉，過量的目的是使CuSO₄、H₂SO₄完全反應(yīng)；固體C中可能含有鐵所以先用硫酸清洗把鐵除掉，再用水沖洗，最后進(jìn)行干燥就能得到銅了．所以：（1）步驟Ⅰ中分離得到固體A和藍(lán)色溶液B的操作名稱是過濾．
（2）由上述分析可知，藍(lán)色溶液B中的溶質(zhì)是 CuSO₄、H₂SO₄；
（3）由上述分析可知，步驟Ⅲ中發(fā)生的反應(yīng)是鐵和硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和氫氣，化學(xué)方程式是：Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑；
（4）銅制品在空氣中會發(fā)生銹蝕[銅銹的主要成分是Cu₂（OH）₂CO₃]．根據(jù)銅銹的主要成分中含有氫元素和碳元素，可以判斷出銅銹需要空氣中的H₂O、CO₂；
若要探究“銅生銹是否需要空氣中的氧氣？”如圖2所示實驗中，只需完成BD兩個實驗即可達(dá)到實驗?zāi)康模?br />【拓展研究】①量氣管內(nèi)蒸餾水變化的體積為氧氣的體積=30.8mL-0.2mL=30.6mL
空氣中氧氣含量=$\frac{30.6mL}{150mL}$×100%≈20.4%；
②通過上述實驗探究，選擇鐵粉、炭粉、氯化鈉和蒸餾水等物質(zhì)進(jìn)行實驗，可較為快速地完成實驗并減小實驗誤差，所以炭粉和氯化鈉在本實驗中的作用是催化作用；
③銅也能與空氣中氧氣、水、二氧化碳反應(yīng)而銹蝕，生成銅綠[銅綠的主要成分為Cu₂（OH）₂CO₃]，若將圖3裝置中的粗鐵絲換成足量的銅絲進(jìn)行實驗，不能比較準(zhǔn)確地測定空氣中氧氣的含量，因為空氣中二氧化碳含量約只有0.03%，銅不能將裝置中的氧氣幾乎耗盡．
故答案為：【回答問題】（1）過濾；
（2）CuSO₄、H₂SO₄；
（3）Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑；
（4）H₂O、CO₂，BD；
【拓展研究】①20.4%；
②催化作用；
③因為空氣中二氧化碳含量約只有0.03%，銅不能將裝置中的氧氣幾乎耗盡．

點評 合理設(shè)計實驗，科學(xué)地進(jìn)行實驗、分析實驗，是得出正確實驗結(jié)論的前提，因此要學(xué)會設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗、分析實驗，為學(xué)好化學(xué)知識奠定基礎(chǔ)．