Question

將一些氧化銅粉末加入到100g質量分數為14%的硫酸溶液中，微熱至氧化銅全部溶解，再向該溶液中加入20g鐵粉，充分反應后，過濾、烘干，得到干燥的固體物質仍為20g．求：
（1）原先氧化銅的質量是多少克？
（2）最后得到溶液的質量分數是多少？

Answer 1

【答案】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．
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
  x=
  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
  a=0.1m
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56   98
b   100g×14%-
  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=b
0.1m=8-0.7m  解得m=10g，
答：原先氧化銅的質量為10g；
（2）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
  c=19g
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56         152  2
1g          d   w
  d≈2.7g
  w≈0.04g
最后得到溶液的質量分數=×100%≈19.73%
答：最后得到溶液的質量分數為19.73%．
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．