Question

3．工業(yè)上常用廢鐵屑溶于一定濃度的硫酸溶液制備綠礬（ FeSO₄•7H₂O ）．
（1）若用98% 1.84g/cm³的濃硫酸配制生產(chǎn)28%的硫酸溶液，則濃硫酸與水的體積比約為1：4.6．
（2）若綠礬受熱分解后的產(chǎn)物為不含硫元素的固體A、SO₂、SO₃和H₂O．回答下列問(wèn)題：
綠礬受熱分解后，鐵元素的化合價(jià)在分解前后是否發(fā)生了變化是（填“是”或“否”），其理由是綠礬分解產(chǎn)物中有SO₂，硫元素化合價(jià)降低，必有元素化合價(jià)升高．
（3）為測(cè)定某久置于空氣的綠礬樣品中Fe²⁺的氧化率，某同學(xué)設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：取一定量的樣品全部溶解于稀硫酸中；然后加入5.00g鐵粉充分反應(yīng)，收集到224mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況）氣體，剩余固體質(zhì)量為3.88g，測(cè)得反應(yīng)后的溶液中Fe²⁺的物質(zhì)的量為0.14mol．則該樣品中Fe²⁺離子的氧化率為16.7%．
（4）硫酸亞鐵銨[（NH₄）₂SO₄•FeSO₄•6H₂O]（俗稱莫爾鹽），較綠礬穩(wěn)定，在氧化還原滴定分析中常用來(lái)配制Fe²⁺的標(biāo)準(zhǔn)溶液．現(xiàn)取0.4g Cu₂S和CuS的混合物在酸性溶液中用40mL 0.150mol/L KMnO₄溶液處理，發(fā)生反應(yīng)如下：
8MnO₄^-+5Cu₂S+44H⁺→10Cu²⁺+5SO₂+8Mn²⁺+22H₂O
6MnO₄^-+5CuS+28H⁺→5Cu²⁺+5SO₂+6Mn²⁺+14H₂O
反應(yīng)后煮沸溶液，趕盡SO₂，剩余的KMnO₄恰好與V mL 0.2mol/L （NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反應(yīng)．已知：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺→Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O
①V的取值范圍為25＜V＜50；
②若V=35，試計(jì)算混合物中CuS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)硫酸的質(zhì)量守恒計(jì)算硫酸和水的體積比；
（2）綠礬（ FeSO₄•7H₂O ）中硫的化合價(jià)為+6價(jià)，反應(yīng)生成了二氧化硫，化合價(jià)降低了，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的特征可知，一定有元素的化合價(jià)升高，據(jù)此判斷；
（3）先根據(jù)氫氣的體積計(jì)算生成氫氣需要鐵的質(zhì)量及生成的二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量，再根據(jù)總減少的鐵的質(zhì)量減去生成氫氣需要鐵的質(zhì)量即為與三價(jià)鐵離子反應(yīng)需要鐵的質(zhì)量，根據(jù)與三價(jià)鐵離子反應(yīng)鐵的質(zhì)量計(jì)算三價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量和生成二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量，總二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量減去上述二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量即為原溶液中二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量，三價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量與原溶液中二價(jià)鐵離子和三價(jià)鐵離子之和的比值即為氧化率；
（4）①采用極限法計(jì)算與固體混合物反應(yīng)需要的高錳酸鉀的物質(zhì)的量，剩余的高錳酸鉀與（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液反應(yīng)計(jì)算需要的（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液的體積；
②先根據(jù)（NH₄）₂Fe（SO₄）₂的物質(zhì)的量計(jì)算與其反應(yīng)的高錳酸鉀的物質(zhì)的量，設(shè)固體混合物中兩固體的質(zhì)量，根據(jù)兩固體的質(zhì)量計(jì)算需要的高錳酸鉀的物質(zhì)的量，然后列式計(jì)算出兩固體的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式計(jì)算即可．

解答 解：（1）設(shè)濃硫酸的體積為xmL，水的體積為ymL；稀釋前后硫酸的質(zhì)量不變，
所以$\frac{1.84x×98%}{1.84x+1.0y}$，解得x：y=1：4.6，
故答案為：4.6；
（2）綠礬（ FeSO₄•7H₂O ）中硫的化合價(jià)為+6價(jià)，反應(yīng)生成了二氧化硫，化合價(jià)降低了，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的特征可知，一定有元素的化合價(jià)升高，所以可以判斷有鐵元素的化合價(jià)在反應(yīng)過(guò)程中升高了，
故答案為：是； 綠礬分解產(chǎn)物中有SO₂，硫元素化合價(jià)降低，必有元素化合價(jià)升高；
（3）設(shè)與酸反應(yīng)生成氫氣需要的鐵的質(zhì)量為x，生成的硫酸亞鐵的物質(zhì)的量為y，
      Fe+2H⁺=Fe ²⁺+H₂ ↑
     56g    1mol   22.4L
     x       y      0.224L
解得x=0.56g，y=0.01mol，
與Fe³⁺反應(yīng)需要的鐵的質(zhì)量為5.00g-3.88g-0.56g=0.56g，
與鐵反應(yīng)需要的三價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量為m，生成的二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量為n，
Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺
56g 2mol  3mol
0.56g m    n
解得m=0.02mol，n=0.03mol，
所以原來(lái)溶液中二價(jià)鐵離子的物質(zhì)的量為0.14mol-0.01mol-0.03mol=0.1mol，
所以氧化率為$\frac{0.02mol}{0.1mol+0.02mol}$，
 故答案為：16.7%；
（4）①高錳酸鉀的物質(zhì)的量為：0.040L×0.150mol/L=0.006mol，
假設(shè)固體混合物全部為Cu₂S，需要高錳酸鉀的物質(zhì)的量為x，
8MnO₄^-+5Cu₂S+44H⁺=10Cu²⁺+5SO₂+8Mn²⁺+22H₂O
8      5
x      $\frac{0.4g}{160g}$
x=0.004mol
剩余的高錳酸鉀的物質(zhì)的量為0.006mol-0.004mol=0.002mol，
0.002mol高錳酸鉀和（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反應(yīng)．
  MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O
1mol    5mol
0.002mol  1×10^-3VL×0.2mol/L
解得V=50，
假設(shè)固體混合物全部為CuS，需要高錳酸鉀的物質(zhì)的量為y，
6MnO₄^-+5CuS+28H⁺=5Cu²⁺+5SO₂+6Mn²⁺+14H₂O
6     5
y    $\frac{0.4g}{96g}$
y=0.005mol
剩余的高錳酸鉀的物質(zhì)的量為0.006mol-0.005mol=0.001mol．
0.001mol高錳酸鉀和（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反應(yīng)．
MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O
1mol       5mol
0.001mol   1×10^-3VL×0.2mol/L
解得V=25，
故答案為：25＜V＜50；  
 ②若V=35，與35mL（NH₄）₂Fe（SO₄）₂溶液完全反應(yīng)需要高錳酸鉀的物質(zhì)的量為：
    MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O
  1mol    5mol
0.014mol  0.035L×0.2mol/L
所以高錳酸鉀的物質(zhì)的量為0.0014mol，
故與固體混合物反應(yīng)的高錳酸鉀的物質(zhì)的量為0.006mol-0.0014mol=0.0046mol，
設(shè)Cu₂S的質(zhì)量為xg，CuS的質(zhì)量為yg，x+y=0.40g．
8MnO₄^-+5Cu₂S+44H⁺=10Cu²⁺+5SO₂+8Mn²⁺+22H₂O
8mol    800g
0.01xmol xg
 6MnO₄^-+5CuS+28H⁺=5Cu²⁺+5SO₂+6Mn²⁺+14H₂O
 6mol   480g
0.0125ymol  yg
$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.4}\\{0.01xmol+0.0125ymol=0}\end{array}\right.$
解得$\left\{\begin{array}{l}{x=0.16\\;}\\{y=0.24}\end{array}\right.$
則混合物中CuS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.24g}{0.4g}$，
答：混合物中CuS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了根據(jù)方程式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，難度較大，注意解答討論題時(shí)采用極限法，根據(jù)極限法計(jì)算出其取值范圍．