Question

4．硫酸銅是一種應(yīng)用極其廣泛的化工原料．制備硫酸銅是無機化學(xué)實驗教學(xué)中一個重要的實驗．由于銅不能與稀硫酸直接反應(yīng)，實驗中將濃硝酸分次加入到銅粉與稀硫酸中，加熱使之反應(yīng)完全，通過蒸發(fā)、結(jié)晶得到硫酸銅晶體（裝置如圖1、2所示）．

（1）圖1中，A儀器的名稱為分液漏斗，燒瓶中發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為Cu+4H⁺+2NO₃^-═Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O或3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O．
（2）圖2是圖1的改進裝置，改進的目的是可防止倒吸，NO、NO₂有毒氣體能被完全吸收．
（3）為符合綠色化學(xué)的要求，某研究性學(xué)習(xí)小組進行如下設(shè)計：
第一組：空氣為氧化劑法
方案1：以空氣為氧化劑．將銅粉在儀器B中反復(fù)灼燒，使銅與空氣充分反應(yīng)生成氧化銅，再將氧化銅與稀硫酸反應(yīng)．
方案2：將空氣或氧氣直接通入到銅粉與稀硫酸的混合物中，發(fā)現(xiàn)在常溫下幾乎不反應(yīng)．向反應(yīng)液中加FeSO₄或Fe₂（SO₄）₃，反應(yīng)完全后，向其中加物質(zhì)甲調(diào)節(jié)pH到3～4，產(chǎn)生Fe（OH）₃沉淀，過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶，濾渣作催化劑循環(huán)使用（已知Fe（OH）₃和Cu（OH）₂完全沉淀時的pH分別為3.7、6.4）．
請回答下列問題：
①方案1中的B儀器名稱是坩堝．
②方案2中甲物質(zhì)是b（填字母序號）．
a、CaO      b、CuCO₃     c、CaCO₃
第二組：過氧化氫為氧化劑法
將3.2g銅絲放到45mL 1.5mol/L的稀硫酸中，控溫在50℃．加入18mL 10%的H₂O₂，反應(yīng)0.5h后，升溫到60℃，持續(xù)反應(yīng)1h后，過濾、蒸發(fā)結(jié)晶、減壓抽濾等，用少量95%的酒精淋洗后晾干，得CuSO₄•5H₂O 10.6g．請回答下列問題：
③該反應(yīng)的離子反應(yīng)方程式為Cu+H₂O₂+2H⁺═Cu²⁺+2H₂O．
④控制溫度在50℃和60℃加熱的原因為防止雙氧水分解，晶體采用酒精淋洗的優(yōu)點是酒精與水互溶且極易揮發(fā)，減少晶體溶解．
⑤上述兩組氧化法中，更符合綠色化學(xué)理念的是第二組（填“第一組”或“第二組”），理由是第一組中的方案1需要加熱，消耗能源，方案2所得產(chǎn)品含有鐵元素雜質(zhì)．而第二組方案幾乎不產(chǎn)生有害氣體，且所得產(chǎn)品純度較高．

Answer 1

分析 （1）圖1中A儀器是添加液體的儀器，A儀器的名稱為分液漏斗，銅和濃硝酸反應(yīng)生成硝酸銅、二氧化氮和水，隨著反應(yīng)的進行，濃硝酸變成稀硝酸，稀硝酸和銅反應(yīng)生成硝酸銅和一氧化氮、水．
（2）根據(jù)一氧化氮的性質(zhì)及尾氣處理裝置分析；
（3）①方案1中，將銅在坩堝中灼燒生成氧化銅，氧化銅與稀硫酸反應(yīng)生成硫酸銅；
②方案2中，銅與硫酸鐵反應(yīng)生成硫酸銅、硫酸亞鐵，通入氧氣，將亞鐵離子氧化成硫酸鐵，然后為保證不引入雜質(zhì)，可加入氧化銅、碳酸銅等調(diào)節(jié)pH值除去鐵離子，過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶得到硫酸銅晶體；
③銅在酸性條件能被雙氧水氧化；
④過氧化氫不穩(wěn)定，溫度過高易分解生成水和氧氣；酒精極易蒸發(fā)帶走水分；
⑤對比兩種方案時從能量消耗、產(chǎn)品純度、是否產(chǎn)生有害物質(zhì)等分析．

解答 解：（1）圖1中，A儀器的名稱為分液漏斗，將適量濃硝酸分多次加入到銅粉與稀硫酸的混合物中，銅粉與稀硫酸不反應(yīng)，銅與濃硝酸反應(yīng)，Cu+4H⁺+2NO₃^-═Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O，隨著反應(yīng)的進行，濃硝酸變成稀硝酸，稀硝酸和銅反應(yīng)生成硝酸銅和一氧化氮、水，3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，
故答案為：分液漏斗；Cu+4H⁺+2NO₃^-═Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O或3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；
（2）改進前，二氧化氮和水反應(yīng)生成硝酸和一氧化氮，一氧化氮有毒且和水不反應(yīng)，所以NO、NO₂有毒氣體不能被完全吸收，且二氧化氮和氫氧化鈉反應(yīng)后，導(dǎo)管內(nèi)壓強減小，易產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象；改進后，通入氧氣，氧氣、一氧化氮、二氧化氮、水反應(yīng)完全生成硝酸被氫氧化鈉吸收；且中間儲氣瓶有緩沖作用，防止倒吸．
故答案為：可防止倒吸，NO、NO₂有毒氣體能被完全吸收；
（3）①加熱固體應(yīng)在坩堝中進行，
故答案為：坩堝；
②銅與硫酸鐵反應(yīng)生成硫酸銅、硫酸亞鐵，通入氧氣，將亞鐵離子氧化成硫酸鐵，為保證不引入雜質(zhì)，可以加入氧化銅、碳酸銅等調(diào)節(jié)pH值可除去鐵離子，過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶得到硫酸銅晶體，
故答案為：b；
③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；
④根據(jù)雙氧水加熱易分解的性質(zhì)分析，過氧化氫不穩(wěn)定，溫度過高易分解生成水和氧氣；酒精極易蒸發(fā)帶走水分，加速晶體晾干，減少晶體的溶解，
故答案為：防止雙氧水分解；酒精與水互溶且極易揮發(fā)，減少晶體溶解；
⑤第一組方案1需要灼燒，所以多消耗能源；第一組方案2所得產(chǎn)品含有鐵元素雜質(zhì)，產(chǎn)品不純；第一組方案1產(chǎn)生有毒氣體氮的氧化物，而第二組方案幾乎不產(chǎn)生有害氣體，且所得產(chǎn)品純度較高；
故答案為：第二組；理由：第一組中的方案1需要加熱，消耗能源，方案2所得產(chǎn)品含有鐵元素雜質(zhì)．而第二組方案幾乎不產(chǎn)生有害氣體，且所得產(chǎn)品純度較高．

點評 本題考查硫酸銅制備實驗方案的設(shè)計化學(xué)實驗，意在考查對化學(xué)實驗原理、實驗設(shè)計和實驗結(jié)論的運用能力，主要是對實驗原理的理解、實驗方案的評價、實驗裝置的理解與評價，實驗是高考中的重點內(nèi)容，題型以選擇題和填空題為主，考查的內(nèi)容常以典型的實驗基本操作及正誤判斷等為主，題目難度中等．