Question

将一些氧化铜粉末加入到100克质量分数为14%的硫酸溶液中，微热至氧化铜全部溶解，再向蓝色溶液中加入W克铁粉，充分反应后，过滤，烘干，得到干燥的固体物质仍是Wg，求：
（1）原先氧化铜的质量是多少？
（2）最后得到的溶液中溶质的质量分数为多少？
（3）当W为何值时才能满足加入的铁粉和得到的固体质量相等？

Answer 1

考点：根据化学反应方程式的计算,有关溶质质量分数的简单计算

专题：溶质质量分数与化学方程式相结合的计算

分析：（1）要使加入的铁粉和得到的固体质量相等必须使硫酸消耗多余的Fe：从CuSO₄+Fe=FeSO₄+Cu，可以看出铁转化出铜，这是一个使固体质量增加的过程，而题目明确的说明过滤后的固体质量与投入的铁粉质量相同，这只能说明氧化铜被溶解后，硫酸仍然有剩余，剩余的硫酸继续消耗铁粉，且消耗铁粉的质量与前一步固体增加的质量相等；利用这一等量关系，计算所加入氧化铜的质量；
（2）最后生成的溶质是FeSO₄，它是由两部分生成的．第一部分与CuSO₄反应得到的FeSO₄，第二部分是铁与剩余硫酸生成的FeSO₄，反应后溶液中总共含有FeSO4为两部分的质量和；根据质量守恒定律，反应后所得溶液总质量=100g稀硫酸+氧化铜的质量+铁的质量-析出的铜的质量（与铁的质量相等）-氢气质量，由于参加反应铁的质量与析出固体的质量相等，所以，反应后所得溶液的总质量=100g稀硫酸+氧化铜的质量-氢气质量．则最后得到溶液的质量分数为生成FeSO₄的总质量与反应后所得溶液总质量的比．
（3）因为铁与硫酸铜反应生成铜，固体质量增加，根据加入Wg铁粉，与硫酸铜反应后得到固体物质为Wg可知，铁粉没有完全反应，剩余的铁粉与稀硫酸反应，最后得到的Wg固体物质为铜的质量，根据Wg铜完全来自氧化铜，故可以计算出W的值．

解答：解：（1）设原先氧化铜的质量为m，则与氧化铜反应的硫酸的质量x，生成硫酸铜的质量y
CuO+H₂SO₄═CuSO₄+H₂O
80   98    160
m    x      y
 

80

m

=

98

x

，则x=

98m

80

80

m

=

160

y

，则y=2m
设加入铁粉与硫酸铜溶液充分反应固体增加的质量为a，生成硫酸亚铁的质量为c；与剩余稀硫酸反应的铁的质量为b，生成硫酸亚铁的质量为d．
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu  固体质量增加
56  160         64     64-56=8
     2m                  a

160

2m

=

8

a

，则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
反应前后固体质量不变，即与硫酸反应消耗铁的质量等于与硫酸铜反应固体增加的质量，
即：a=0.1m，b=8-0.7m，因为a=b，解得m=10g，
答：原先氧化铜的质量为10g；
（2）方法一：
设加入铁粉与硫酸铜溶液充分反应固体增加的质量1g时生成硫酸亚铁的质量为c；与剩余稀硫酸反应的1g铁生成硫酸亚铁的质量为d，同时放出氢气质量为w
Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu 固体质量增加
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
最后得到溶液的质量分数=

19g+2.7g

100g+10g-0.04g

×100%≈19.73%
答：最后得到溶液的质量分数为19.73%．
方法二：由题意可知，硫酸最终全部转化为硫酸亚铁，设硫酸亚铁的质量为z：
H₂SO₄～FeSO₄
98      152
100g×14% z
则

98

100g×14%

=

152

z

，解得Z=

152

7

g≈21.7g，加入铁粉的质量W=

152

7

g×

56

152

×100%=8g；
最后得到溶液的质量分数=

21.7g

100g+10g-0.04g

×100%≈19.73%
（3）Wg铜完全来自氧化铜，根据质量守恒定律的元素守恒，则W=

64

80

×100%×10g=8g
当W取值为等于或大于8g时，才能满足加入铁粉和得到固体质量相等的要求．
故答案为：
（1）10g；（2）19.73%；（3）8g．

点评：分析固体质量不变的原因是解决本题的关键：要使加入的铁粉和得到的固体质量相等必须使硫酸消耗多余的Fe，且消耗铁粉的质量与置换出铜固体增加的质量相等．