Question

將一些氧化銅粉末加入到100克質量分數為14%的硫酸溶液中，微熱至氧化銅全部溶解，再向藍色溶液中加入W克鐵粉，充分反應后，過濾，烘干，得到干燥的固體物質仍是Wg，求：
（1）原先氧化銅的質量是多少？
（2）最后得到的溶液中溶質的質量分數為多少？
（3）當W為何值時才能滿足加入的鐵粉和得到的固體質量相等？

Answer 1

考點：根據化學反應方程式的計算,有關溶質質量分數的簡單計算

專題：溶質質量分數與化學方程式相結合的計算

分析：（1）要使加入的鐵粉和得到的固體質量相等必須使硫酸消耗多余的Fe：從CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu，可以看出鐵轉化出銅，這是一個使固體質量增加的過程，而題目明確的說明過濾后的固體質量與投入的鐵粉質量相同，這只能說明氧化銅被溶解后，硫酸仍然有剩余，剩余的硫酸繼續(xù)消耗鐵粉，且消耗鐵粉的質量與前一步固體增加的質量相等；利用這一等量關系，計算所加入氧化銅的質量；
（2）最后生成的溶質是FeSO₄，它是由兩部分生成的．第一部分與CuSO₄反應得到的FeSO₄，第二部分是鐵與剩余硫酸生成的FeSO₄，反應后溶液中總共含有FeSO4為兩部分的質量和；根據質量守恒定律，反應后所得溶液總質量=100g稀硫酸+氧化銅的質量+鐵的質量-析出的銅的質量（與鐵的質量相等）-氫氣質量，由于參加反應鐵的質量與析出固體的質量相等，所以，反應后所得溶液的總質量=100g稀硫酸+氧化銅的質量-氫氣質量．則最后得到溶液的質量分數為生成FeSO₄的總質量與反應后所得溶液總質量的比．
（3）因為鐵與硫酸銅反應生成銅，固體質量增加，根據加入Wg鐵粉，與硫酸銅反應后得到固體物質為Wg可知，鐵粉沒有完全反應，剩余的鐵粉與稀硫酸反應，最后得到的Wg固體物質為銅的質量，根據Wg銅完全來自氧化銅，故可以計算出W的值．

解答：解：（1）設原先氧化銅的質量為m，則與氧化銅反應的硫酸的質量x，生成硫酸銅的質量y
CuO+H₂SO₄═CuSO₄+H₂O
80   98    160
m    x      y
 

80

m

=

98

x

，則x=

98m

80

80

m

=

160

y

，則y=2m
設加入鐵粉與硫酸銅溶液充分反應固體增加的質量為a，生成硫酸亞鐵的質量為c；與剩余稀硫酸反應的鐵的質量為b，生成硫酸亞鐵的質量為d．
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu  固體質量增加
56  160         64     64-56=8
     2m                  a

160

2m

=

8

a

，則a=0.1m
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56   98        
b   100g×14%-

98

80

m 

56

b

=

98

100g×14%- 98m 80

，b=8-0.7m
反應前后固體質量不變，即與硫酸反應消耗鐵的質量等于與硫酸銅反應固體增加的質量，
即：a=0.1m，b=8-0.7m，因為a=b，解得m=10g，
答：原先氧化銅的質量為10g；
（2）方法一：
設加入鐵粉與硫酸銅溶液充分反應固體增加的質量1g時生成硫酸亞鐵的質量為c；與剩余稀硫酸反應的1g鐵生成硫酸亞鐵的質量為d，同時放出氫氣質量為w
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu 固體質量增加
56 160     152  64   64-56=8
            c          1g

152

c

=

8

1g

，解得c=19g
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56         152  2
1g          d   w
 

56

1g

=

152

d

，解得d≈2.7g

56

1g

=

2

w

  w≈0.04g
最后得到溶液的質量分數=

19g+2.7g

100g+10g-0.04g

×100%≈19.73%
答：最后得到溶液的質量分數為19.73%．
方法二：由題意可知，硫酸最終全部轉化為硫酸亞鐵，設硫酸亞鐵的質量為z：
H₂SO₄～FeSO₄
98      152
100g×14% z
則

98

100g×14%

=

152

z

，解得Z=

152

7

g≈21.7g，加入鐵粉的質量W=

152

7

g×

56

152

×100%=8g；
最后得到溶液的質量分數=

21.7g

100g+10g-0.04g

×100%≈19.73%
（3）Wg銅完全來自氧化銅，根據質量守恒定律的元素守恒，則W=

64

80

×100%×10g=8g
當W取值為等于或大于8g時，才能滿足加入鐵粉和得到固體質量相等的要求．
故答案為：
（1）10g；（2）19.73%；（3）8g．

點評：分析固體質量不變的原因是解決本題的關鍵：要使加入的鐵粉和得到的固體質量相等必須使硫酸消耗多余的Fe，且消耗鐵粉的質量與置換出銅固體增加的質量相等．