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首页 高中化学知识 （浓、稀）硝酸 沉淀溶解平衡 设计实验方案及探究实验 试题正文
  • 问答题
    实验室用铜制取硫酸铜，将适量硝酸分多次加入到铜粉与稀硫酸的混合物中，加热使之反应完全，通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体．
    （1）为了节约原料，硫酸和硝酸的物质的量之比最佳为______；为了吸收该反应中产生的尾气，请选择下列中合适的装置______．

    魔方格

    （2）为符合绿色化学的要求，某研究性学习小组进行如下设计：
    第一组：以空气为氧化剂法
    方案1：以空气为氧化剂．将铜粉在仪器B中反复灼烧，使铜与空气充分反应生成氧化铜，再将氧化铜与稀硫酸反应．
    方案2：将空气或氧气直接通入到铜粉与稀硫酸的混合物中，发现在常温下几乎不反应．向反应液中加少量FeSO4，即发生反应，生成硫酸铜．反应完全后，加物质甲调节pH，铁元素全部沉淀（一般认为铁离子的浓度下降到10-5mol•L-1，就认为沉淀完全），然后过滤、浓缩、结晶．
    已知：Ksp[Cu（（OH）2]≈10-22，Ksp[Fe（（OH）2]≈10-16，Ksp[Fe（（OH）3]≈10-38
    请回答下列问题：
    如开始加入的铜粉为3.2g，最后所得溶液为500mL，溶液中含有铁元素0.005mol．
    ①方案1中的B仪器名称是______．
    ②为了使铁元素全部沉淀，应调节pH至少为______．
    ③方案2中甲物质可选用的是______．
    A、CaO    B、NaOH   C、CuCO3D、Cu2（OH）2CO3E、Fe2（SO4）3
    ④反应中加入少量FeSO4可加速铜的氧化，用离子方程式解释其原因______．
    第二组：过氧化氢为氧化剂法
    将3.2g铜丝放到45mL 1.5mol•L-1的稀硫酸中，控温在50℃．加入18mL 10%的H2O2，反应0.5h，升温到60℃，持续反应1h后，过滤、蒸发浓缩、减压抽滤等，用少量95%的酒精淋洗后晾干，得CuSO4•5H2O 10.5g．
    请回答下列问题：
    ⑤反应时温度控制在50℃～60℃不宜过高的原因是______，
    ⑥本实验CuSO4•5H2O的产率为______．
    本题信息：2011年兖州市三模化学问答题难度较难 来源:未知
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本试题 “实验室用铜制取硫酸铜，将适量硝酸分多次加入到铜粉与稀硫酸的混合物中，加热使之反应完全，通过蒸发、结晶得到硫酸铜晶体．（1）为了节约原料，硫酸和硝酸的...” 主要考查您对

（浓、稀）硝酸

沉淀溶解平衡

设计实验方案及探究实验

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硝酸的分子结构:

化学式(分子式)：HNO3，结构式：HO—NO2。 HNO3是由极性键形成的极性分子，故易溶于水，分子问以范德华力结合，固态时为分子晶体。


硝酸的物理性质和化学性质:

(1)物理性质：纯硝酸是无色油状液体, 开盖时有烟雾，挥发性酸[沸点低→易挥发→酸雾]
熔点：-42℃，沸点：83℃。密度：1.5 g/cm3，与水任意比互溶，98%的硝酸为发烟硝酸，69%以上的硝酸为浓硝酸。
(2)化学性质：
①具有酸的一些通性：例如：
(实验室制CO2气体时，若无稀盐酸可用稀硝酸代替)
②不稳定性：HNO3见光或受热发生分解，HNO3越浓，越易分解．硝酸分解放出的NO2溶于其中而使硝酸呈黄色。有关反应的化学方程式为：
③强氧化性：不论是稀HNO3还是浓HNO3，都具有极强的氧化性，HNO3浓度越大，氧化性越强。其氧化性表现在以下几方面
A. 几乎能与所有金属(除Hg、Au外)反应。当HNO3与金属反应时，HNO3被还原的程度(即氮元素化合价降低的程度)取决于硝酸的浓度和金属单质还原性的强弱。对于同一金属单质而言，HNO3的浓度越小，HNO3被还原的程度越大，氮元素的化合价降低越多。一般反应规律为：
    金属 + HNO3(浓) → 硝酸盐 + NO2↑ + H2O
    金属 + HNO3(稀) → 硝酸盐 + NO↑ + H2O
    较活泼的金属(如Mg、Zn等) + HNO3(极稀) → 硝酸盐 + H2O + N2O↑(或NH3等)
金属与硝酸反应的重要实例为：
①
该反应较缓慢，反应后溶液显蓝色，反应产生的无色气体遇到空气后变为红棕色(无色的NO被空气氧化为红棕色的NO2)。实验室通常用此反应制取NO气体。
②
该反应较剧烈，反应过程中有红棕色气体产生。此外，随着反应的进行，硝酸的浓度渐渐变稀，反应产生的气体是NO2、NO等的混合气体。

B. 常温下，浓HNO3能将金属Fe、A1钝化，使Fe、A1的表面氧化生成一薄层致密的氧化膜。因此，可用铁或铝制容器盛放浓硝酸，但要注意密封，以防止硝酸挥发变稀后与铁、铝反应。(与浓硫酸相似)

C. 浓HNO3与浓盐酸按体积比1∶3配制而成的混合液叫王水。王水溶解金属的能力更强，能溶解金属Pt、Au。

D. 能把许多非金属单质(如C、S、P等)氧化，生成最高价含氧酸或最高价非金属氧化物。例如：


E．能氧化某些具有还原性的物质，如等，应注意的是NO3-无氧化性，而当NO3-在酸性溶液中时，则具有强氧化性。例如，在Fe(NO3)2溶液中加入盐酸或硫酸，因引入了H+而使Fe2+被氧化为Fe3+；又如，向浓HNO3与足量的Cu反应后形成的Cu(NO3)2中再加入盐酸或硫酸，则剩余的Cu会与后来新形成的稀HNO3继续反应。 F. 能氧化并腐蚀某些有机物，如皮肤、衣服、纸张、橡胶等。因此在使用硝酸(尤其是浓硝酸)时要特别小心，万一不慎将浓硝酸弄到皮肤上，应立即用大量水冲洗，再用小苏打或肥皂液洗涤。
(3)保存方法：硝酸易挥发，见光或受热易分解，具有强氧化性而腐蚀橡胶，因此，实验室保存硝酸时，应将硝酸盛放在带玻璃塞的棕色试剂瓶中，并贮存在黑暗且温度较低的地方。
(4)用途：硝酸是一种重要的化工原料，可用于制造炸药、染料、塑料、硝酸盐等。


三大强酸:

几种常见酸的比较:


浓硝酸与稀硝酸的氧化性比较：

由铜与硝酸反应的化学方程式知，浓硝酸被还原为NO2，氮的化合价由+5→+4；而稀硝酸被还原为NO，氮的化合价由+5→+2，由此得出稀硝酸具有更强的氧化能力的结论是错误的。因为氧化剂氧化能力的强弱取决于得电子能力的强弱，而不是本身被还原的程度。实验证明，硝酸越浓，得电子的能力越强，因而其氧化能力越强。如稀硝酸能将HI氧化为I2，而浓硝酸可将HI氧化为HIO3。


硝酸在氧化还原反应中，其还原产物可能有多种价态的物质：等，这取决于硝酸的浓度和还原剂还原性的强弱。除前面的实例外，锌与硝酸可发生如下反应：


浓硝酸的漂白作用:

在浓硝酸中滴入几滴紫色石蕊试液，微热，可观察到：溶液先变红后褪色，说明浓硝酸具有强氧化性，可以使某些有色物质褪色(氧化漂白)。但一般不用它作漂白剂，因为它还具有强腐蚀性。新制氯水或浓硝酸能使淀粉碘化钾试纸先变蓝后褪色，这不是因为它们的漂白性，而是因为发生了如下的化学反应：

这是因为过量的氯水或硝酸又把I2氧化成了HIO3而使试纸褪色的。
另外，浓H2SO4遇湿润的蓝色石蕊试纸的现象是先变红后变黑。这是由浓H2SO4的强酸性和脱水性造成的(脱水炭化而变黑)。


沉淀溶解平衡:

1、定义：在一定条件下，当难容电解质的溶解速率与溶液中的有关离子重新生成沉淀的速率相等，此时溶液中存在的溶解和沉淀间的动态平衡，称为沉淀溶解平衡。
例如:

2、沉淀溶解平衡的特征：
(1)逆：沉淀溶解平衡是可逆过程。
(2)等：
(3)动：动态平衡，溶解的速率和沉淀的速率相等且不为零。
(4)定：达到平衡时，溶液中各离子的浓度保持不变，
(5)变：当外界条件改变时，溶解平衡将发生移动，达到新的平衡。
3、沉淀溶解平衡的影响因素
(1)内因：难溶电解质本身的性质。
(2)外因
a．浓度：加水稀释，沉淀溶解平衡向溶解的方向移动，但不变。
b.温度：多数难溶电解质溶于水是吸热的，所以升高温度，沉淀溶解平衡向溶解的方向移动，同时变大。
c.同离子效应：向沉淀溶解平衡体系中，加入含原体系中某离子的物质，平衡向沉淀生成的方向移动，但不变。
d．其他：向沉淀溶解平衡体系中，加入可与体系巾某些离子反应生成更难溶的物质或气体的物质，平衡向溶解的方向移动，不变。

沉淀溶解平衡的应用：

1．沉淀的生成
(1)意义：在涉及无机制备、提纯工艺的生产、科研、废水处理等领域中，常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。
(2)方法
a．调节pH法：如工业原料氯化铵中含杂质氯化铁，使其溶解于水，再加入氨水调节pH至7～8，可使转变为沉淀而除去。
 
b．加沉淀剂法：如以等作沉淀剂，使某些金属离子如等生成极难溶的硫化物 等沉淀，也是分离、除杂常用的方法。

说明：化学上通常认为残留在溶液中的离子浓度小于时即沉淀完全。
2．沉淀的溶解
(1)意义：在实际工作中，常常会遇到需要使难溶物质溶解的问题、根据平衡移动原理，对于在水中难溶的电解质，如果能设法不断地移去沉淀溶解平衡体系中的相应离子，使平衡就会向沉淀溶解的方向移动，使沉淀溶解。
(2)方法
a．生成弱电解质：加入适当的物质，使其与沉淀溶解平衡体系中的某离子反应生成弱电解质。如向沉淀中加入溶液，结合生成使的溶解平衡向右移动。
b．生成配合物：加入适当的物质，使其与沉淀反应生成配合物。
如:

c．氧化还原法：加入适当的物质，使其与沉淀发生氧化还原反应而使沉淀溶解。


d．沉淀转化溶解法：本法是将难溶物转化为能用上述三种方法之一溶解的沉淀，然后再溶解：
如向中加入饱和溶液使转化为再将溶于盐酸。
3．沉淀的转化
(1)实质：沉淀转化的实质就是沉淀溶解平衡的移动。一般来说，溶解度小的沉淀转化成溶解度更小的沉淀容易实现。 例如
 
(2)沉淀转化在工业上的应用在工业废水处理的过程中，用FeS等难溶物作沉淀剂除去废水中的重金属离子．


固体物质的溶解度:

绝对不溶解的物质是不存在的，任何难溶物质的溶解度都不为零。不同的固体物质在水中的溶解度差别很大，可将物质进行如下分类：


化学实验方案的设计：

1．概念：化学实验方案的设计是在实施化学实验之前．根据化学实验的目的和要求，运用相关的化学知识和技能，对实验的仪器、装置和方法所进行的一种规划。
2．实验方案设计的基本要求
(1)科学性：实验原理、实验操作程序和方法必须科学合理。
(2)安全性：尽量避免使用有毒药品和进行有一定危险性的实验操作，保护人身安全，保护仪器。
(3)可行性：实验所选用的药品、仪器、设备和方法等在中学现有条件下能满足要求。
(4)简约性：方案简单易行，尽可能采用简单的实验装置，较少的实验步骤和药品。还应遵循完成实验所用时间较短，副反应少，效果好等基本要求。
(5)经济性：综合考虑原料的用量和价格。
3．化学实验设计的基本内容一个相对完整的化学实验方案一般包括下述内容：
(1)实验名称；
(2)实验目的；
(3)实验原理；
(4)实验用品(药品、仪器、装置、设备)及规格；
(5)实验装置图、实验步骤和操作方法；
(6)实验注意事项；
(7)实验现象的记录及结果处理；
(8)问题与讨论。
4．化学实验方案设计的基本思路

(1)明确目的、原理首先必须认真审题，明确实验的目的，弄清题目有哪些新的信息，结合已学过的知识，通过类比、迁移、分析，从而明确实验原理。
(2)选择仪器、药品根据实验的目的和原理，以及反应物和生成物的性质、反应条件(如反应物和生成物的状态、能否腐蚀仪器、反应是否需要加热及温度是否需要控制在一定的范围内等)，合理选择化学仪器和药品。
(3)设汁装置、步骤根据实验目的和原理，以及所选用的仪器和药品，设计出合理的实验装置和实验操作步骤。学生应具备识别和绘制典型的实验仪器装置图的能力，实验步骤应既完整又简明。
(4)记录现象、数据根据观察，全面而准确地记录实验过程中的现象和数据。
(5)分析得出结论根据实验观察到的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等，得出正确的结论。


化学实验方案设计的分类：

1．物质性质实验方案的设计研究物质性质的基本方法：观察法、实验法、分类法、比较法等。研究物质性质的基本程序：观察外观性质一预测物质性质一实验和观察一解释及结论。图示如下：

在进行性质实验方案的设计时，要充分了解物质的结构、性质、用途与制法之间的相互关系，要根据物质的结构特点，设计化学实验方案来探究或验证物质所具有的一些性质：
2．物质制备实验方案的设计

制备实验方案的设计，应遵循以下原则
(1)条件合适，操作简便；
(2)原理正确，步骤简单；
(3)原料丰富，价格低廉；
(4)产物纯净，污染物少。制备实验方案的设计，主要涉及原料、基本化学反应原理，实验程序和仪器、设备。核心是原料，由原料可确定反应原理，推导出实验步骤及所用仪器。
3．物质检验实验方案的设计

通过特定的反应现象，推断被检验物质是否存在。在对物质进行检验或鉴别时，一般的原则是：
①给出n 种物质进行鉴别，一般只需检验n一1种即可；
②物理和化学方法可并用，一般先用物理方法(如物质的颜色、气味、水溶性等)，再用化学方法；
③设计的实验步骤越简单越好，实验现象越明显越好；
④有干扰离子存在时，应先排除干扰，以免得出错误的结论；
⑤进行检验的一般步骤为：观察外表一一加热固体(确定是否有结晶水)——配成溶液——观察外观一一加入试剂——观察现象——得出结论。

化学实验方案的评价：

对几个实验方案的正确与错误、严密与不严密、准确与不准确作出判断，要考虑是否合理、有无干扰现象、经济上是否合算和对环境有无污染等。
1．从可行性方面对实验方案作出评价科学性和可行性是设计实验方案的两条重要原则，在对实验方案进行评价时，要分析实验方案是否科学可行，实验方案是否遵循化学理论和实验方法的要求，在实际操作时能否做到可控易行。评价时，可从以下4个方面分析：
(1)实验原理是否正确、可行；
(2)实验操作是否安全、合理；
(3)实验步骤是否简单、方便；
(4)实验现象是否明显。
2．从“绿色化学”视角对实验方案作出评价 “绿色化学”要求设计安全的、对环境友好的合成线路，降低化学工业生产过程对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。据此，对化学实验过程或方案从以下4个方面进行综合评价：
(1)反应原料是否易得、安全、无毒；
(2)反应速率是否适巾；
(3)原料利用率以及合成物质的产率是否较高；
(4)合成过程中是否造成环境污染。
3．从安全性方面对实验方案作出评价从安全角度常考虑的主要因素如下：
(1)净化、吸收气体及熄灭酒精灯时要防止液体倒吸；
(2)使用某些易燃易爆品进行实验时要防爆炸(如 H2还原CuO应先通H2可燃性气体点燃前先验纯等)；
(3)防氧化(如H2还原CuO后要“先灭灯再停氢”，白磷切割宜在水中进行等)；
(4)防吸水(如实验取用、制取易吸水、潮解、水解的物质时宜采取必要措施，以保证达到实验目的)；
(5)冷凝回流（有些反应中，为减少易挥发液体反应物的损耗和充分利用原料，需在反应装置上加装冷凝回流装置，如长玻璃管、竖装的干燥管及冷凝管等)；
(6)易挥发液体产物(导出时可为蒸气)的及时冷却；
(7)仪器拆卸的科学性与安全性(可从防污染、防氧化、防倒吸、防爆炸、防泄漏等角度考虑)；
(8)其他(如实验操作顺序、试剂加入顺序等)。


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