Question

將10g CuO 粉末加入到100g一定質量分數的稀硫酸中，微熱至氧化銅全部溶解，生成藍色溶液．在藍色溶液中加入mg鐵粉，充分反應后，過濾，烘干得到干燥固體物質仍是mg．（除不盡保留一位小數，不考慮損耗）
求（1）最后生成銅的質量是多少？
（2）所加稀硫酸的溶質質量分數是多少？
（3）當m取何值時，才能滿足加入的鐵粉和得到的固體質量相等，簡述理由．

Answer 1

解：設與氧化銅反應的硫酸的質量為x，與鐵反應的硫酸的質量為y，生成的硫酸銅為z，與硫酸銅反應的鐵的質量為a，與酸反應的鐵的質量為b，生成的銅的質量為m1．
（1）生成Cu的質量為10g××100%=8g；
（2）由題意：氧化銅全部溶解，則
CuO+H₂SO₄=CuSO₄+H₂O
80 98 160
10g x z
==
x=12.25g z=20g
根據加入的鐵粉與反應后所得固體質量相同，只有鐵粉過量，一部分鐵與稀硫酸反應，才能使鐵粉與生成銅質量相同．當鐵粉恰好和硫酸完全反應時，進行如下計算
Fe+CuSO₄=Cu+FeSO₄
56 160 64
a 20g m1
==
a=7g，m1=8
由于固體質量增加了1g，所以和硫酸反應的鐵的質量就是1g，這樣就可以使固體質量前后不反應變化，即b=1g．
Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂ ↑
56 98
1g y
=
y=1.75g
所加稀硫酸的溶質質量分數=×100%=14%；
（3）只有鐵粉恰好與硫酸也完全反應時，一部分鐵與稀硫酸反應，能使鐵粉與生成銅質量相同．同時當鐵和硫酸反應后有剩余時，同樣會質量保持不變．根據最后生成銅的質量為8g，則加入鐵粉質量m≥8g．
答：（1）最后生成銅的質量是8g；
（2）所加稀硫酸的溶質質量分數是14%；
（3）當m≥8g時，一部份鐵與稀硫酸反應，才能使鐵粉與生成銅質量相同，才能滿足加入的鐵粉和得到的固體質量相等．
分析：（1）氧化銅與硫酸反應生成硫酸銅，硫酸銅與鐵粉完全反應得到銅，根據化學變化前后元素質量不變，因此所得銅的質量即氧化銅中所含銅元素質量；
（2）根據題意，鐵粉充分反應后，過濾，烘干得到干燥固體物質仍是mg，由于鐵粉置換硫酸銅后所得固體質量增加，可判斷有部分鐵粉與稀硫酸反應才能出現反應前后固體質量不變，因此所加稀硫酸一部分與氧化銅反應一部分與鐵粉反應，計算出與鐵粉反應硫酸的質量則需要先求得反應所耗鐵粉的質量，利用金屬粉末變化前后質量相等，由生成銅的質量分析計算與硫酸反應的鐵粉質量；
（3）要使加入的鐵粉和得到的固體質量相等，需滿足鐵粉既與硫酸銅反應又與硫酸反應，因此所加入鐵粉質量需大于等于二者反應所需鐵粉的質量．
點評：根據題設意圖，“充分反應”應理解成溶液中的硫酸銅、硫酸完全反應，即所加鐵粉足量或過量，否則本題將陷入無解之境．