Question

1．（1）工業(yè)上以粗銅為原料采取如下圖所示流程制備硝酸銅晶體．

①在步驟a中，還需要通入氧氣和水，其目的是將NO_x氧化成HNO₃；寫出化學(xué)方程式4NO_x+（5-2x）O₂+2H₂O=4HNO₃；
②在保溫去鐵的過程中，為使Fe³⁺沉淀完全，可以向溶液中加人CuO調(diào)節(jié)溶液的pH．根據(jù)下表數(shù)據(jù)，溶液的pH應(yīng)保持在3.2≤pH＜4.7的范圍內(nèi)；

	氫氧化物開始沉淀時的pH	氫氧化物沉淀完全時的pH
Fe3+	1.9	3.2
Cu2+	4.7	6.7

③進行蒸發(fā)濃縮時，加入的試劑b為硝酸溶液，其目的是（結(jié)合離子方程式說明）由于Cu²⁺發(fā)生水解Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入硝酸可抑制Cu²⁺的水解防止Cu（OH）₂的生成．
（2）①某人設(shè)想以下圖所示裝置將NO_x轉(zhuǎn)化為硝酸，裝置一可用于由N₂O₄制備N₂O₅（硝酸的酸酐），裝置二用于將NO₂轉(zhuǎn)化為硝酸，寫出通入NO₂的電極的電極反應(yīng)式：NO₂-e^-+H₂O=NO₃^-+2H⁺；電解池陽極反應(yīng)：N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．
②若通入NO₂的速率為2.24L/min（標準狀況），為穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)，硝酸溶液的濃度應(yīng)維持質(zhì)量分數(shù)50%不變，則左側(cè)水的流入速率應(yīng)為7.2mL/min．

Answer 1

分析 本題探究的是以廢銅制備硝酸銅的工業(yè)流程，涉及尾氣氮氧化物用氧氣和水吸收生成硝酸的處理原理，利用難溶電解質(zhì)的溶解平衡，通過控制溶液的pH除去溶液里的雜質(zhì)離子Fe3+，在蒸發(fā)濃縮的過程中為防止Cu2+的水解需要添加硝酸抑制其水解等，另外還探究了以電化學(xué)原理將NO_x轉(zhuǎn)化為硝酸，涉及原電池的電極反應(yīng)式和電解池的陽極反應(yīng)式，同時結(jié)合電子守恒計算原料的配比得到50%的硝酸溶液，據(jù)此可解答；
（1）①氮氧化物與水和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)最終生成硝酸；
②可結(jié)合圖表中的數(shù)據(jù)，找出Fe³⁺沉淀完全時溶液的pH和Cu²⁺開始沉淀時的溶液pH，確定溶液pH的取值范圍；
③溶液里的Cu²⁺要水解，從影響鹽類水解平衡移動的角度分析；
（2）①裝置二是原電池，通氧氣的極為正極，通NO2的極為負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電解池的陽極是裝置一的左電極，是N₂O₄被氧化為N₂O₅．
②假設(shè)裝置工作時間為1min，則被氧化的NO₂為2.24L，根據(jù)原子守恒可生成硝酸有質(zhì)量可計算出來，及原電池反應(yīng)消耗的水的質(zhì)量，最后可求出左側(cè)通水的質(zhì)量及流速．

解答 解：（1）①為減少污染物的排放利用水和氧氣與氮氧化物反應(yīng)生成硝酸，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NO_x+（5-2x）O₂+2H₂O=4HNO₃，
故答案為：4NO_x+（5-2x）O₂+2H₂O=4HNO₃；
②向溶液中加入CuO，調(diào)節(jié)溶液的pH目的是鐵離子全部沉淀，銅離子不沉淀，依據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析可知PH應(yīng)為3.2≤pH＜4.7，故答案為：3.2≤pH＜4.7；
③硝酸銅溶液中存在：Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，進行蒸發(fā)濃縮時，要用硝酸調(diào)節(jié)溶液的pH=1，可以抑制硝酸銅的水解，有利用硝酸銅晶體的析出，
故答案為：硝酸溶液；由于Cu²⁺發(fā)生水解Cu²⁺+2H₂O?Cu（OH）₂+2H⁺，加入硝酸可抑制Cu²⁺的水解防止Cu（OH）₂的生成；
（2）①原電池中NO₂被氧化的電極反應(yīng)式為NO₂-e^-+H₂O=NO₃^-+2H⁺，電解池中N₂O₄被氧化成N₂O₅的電極反應(yīng)式為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺，
故答案為：NO₂-e^-+H₂O=NO₃^-+2H⁺；N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺；
②假設(shè)裝置工作時間為1min，則被氧化的NO₂的物質(zhì)的量為$\frac{2.24L}{22.4L/mol}$=0.1mol，根據(jù)原子守恒氧化得到的硝酸物質(zhì)的量也是0.1mol，質(zhì)量為0.1mol×63g/mol=6.3g，所得溶液質(zhì)量分數(shù)為50%，溶液里溶劑水的質(zhì)量為6.3g，原電池中發(fā)生的總反應(yīng)式為4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃，可見參與原電池反應(yīng)的水的物質(zhì)的量為0.1mol÷2=0.05mol，質(zhì)量為0.05mol×18g/mol=0.9g，總計需要水的質(zhì)量為0.9g+6.3g=7.2g，體積為$\frac{7.2g}{1g/mL}$=7.2mL，流速為$\frac{7.2mL}{1min}$=7.2mL/min，故答案為：7.2．

點評 本題考查銅以及化合物的性質(zhì)，題目難度中等，本題注意鹽類水解平衡的影響因素，做題時注意把握題給信息，注重知識遷移能力的培養(yǎng)．