Question

一化学研究性学习小组对某工厂生产印刷电路板后所得废液进行探究（生产原理：2Fe³⁺+Cu═2Fe²⁺+Cu²⁺）．请按要求完成下列探究报告．
[探究目的]
从废液中回收铜，并重新得到FeCl₃溶液．
[资料获悉]
①3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺═3Fe³⁺+NO↑+2H₂O
②有关金属离子从开始沉淀到沉淀完全时溶液的pH：
Fe³⁺：2.7～3.7    Cu²⁺：5.2～6.4    Fe²⁺：7.6～9.6
[探究思路]
（1）先确定废液的组成及各金属离子的浓度；
（2）选择合适试剂回收铜，并重新得到FeCl₃溶液．
[实验探究]
取几滴废液于试管中加水稀释后，滴加KSCN溶液出现血红色，可知废液中除含有Fe²⁺、Cu²⁺外，还含有Fe³⁺．
甲同学取10mL废液，向其中加入足量的AgNO₃溶液，得到的沉淀经过滤、洗涤、干燥，称重8.61g．乙同学另取10mL废液，加入某试剂将pH调至4.0，使其中Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀，而Fe²⁺、Cu²⁺仍留在废液中，沉淀经过滤、洗涤、灼烧，冷却后称重得0.32g．
通过计算可知废液中c（Fe³⁺）=

 

mol/L，c（Fe²⁺）=

 

mol/L，c（Cu²⁺）=

 

mol/L．
[交流讨论]
如何回收1L废液中含有的铜，并重新得到FeC1₃溶液？
丙同学认为应该先向废液中加入wg铁粉[w=c（Cu²⁺）×1L×56g/mol]，使之充分反应置换出铜，过滤，得金属铜．再向滤液中加入适量的稀硝酸，将Fe²⁺全部氧化为Fe³⁺，并进行尾气处理，即可达实验目的．有些同学认为丙同学的方案不可行，请你评价丙同学的方案有哪些不妥之处？（不一定填满）
（1）

 

  （2）

 

  （3）

 

该小组同学根据讨论得到的合理方案进行操作，最终达到了预期目的．（方案内容略）
[拓展延伸]
请画出1L废液中加入铁粉的物质的量与废液中铜离子的物质的量的关系曲线，并利用图象计算，当铜离子的物质的量减少一半时，加入铁粉的质量是

 

g．

Answer 1

考点：探究物质的组成或测量物质的含量,物质的量浓度的相关计算

专题：实验探究和数据处理题,计算题

分析：[实验探究]：甲同学实验操作的到的8.61g沉淀为氯化银；乙同学pH调至4.0时，产生的沉淀为氢氧化铁，氢氧化铁受热分解为氧化铁和水，氧化铁为0.32g，可求出铁离子浓度，根据2Fe³⁺+Cu═Cu²⁺+2Fe²⁺和电荷守恒可求得亚铁离子和铜离子浓度；
[交流讨论]：溶液中存在铁离子，进入的铁粉wg无法将铜离子完全转化成铜单质；使用硝酸，引进了杂质硝酸根离子；
[拓展延伸]：上述1L废液含有n（Fe³⁺）=0.4mol，n（Cu²⁺）=0.08mol，铁先发生Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺ 后发生Cu²⁺+Fe=Fe²⁺+Cu，0.4molFe³⁺消耗0.2molFe，此时n（Cu²⁺）=0.08mol，然后Cu²⁺+Fe=Fe²⁺+Cu反应，消耗铁的物质的量与Cu²⁺减少的物质的量相等，以此关系画图即可；由图可看出当铜离子物质的量变为0.4mol时，加入铁的物质的量为0.6mol．

解答： 解：[实验探究]甲同学实验操作的到的8.61g沉淀为氯化银，物质的量是0.06mol，则Cl^-物质的量为0.06mol，乙同学pH调至4.0时，只有Fe³⁺沉淀而且沉淀完全，沉淀为氢氧化铁，灼烧得到0.32gFe₂O₃，物质的量为0.002mol，根据元素守恒可知Fe³⁺的物质的量为0.004mol，c（Fe³⁺）=

0.004mol

0.01L

=0.4 mol?L^-1；由2Fe³⁺+Cu═Cu²⁺+2Fe²⁺可知2n（Cu²⁺）=n（Fe²⁺），由电荷守恒可知，3n（Fe³⁺）+2n（Cu²⁺）+2n（Fe²⁺）=n（Cl^-），即n（Cu²⁺）+n（Fe²⁺）=

1

2

（0.06mol-0.004mol×3）=0.024mol，n（Cu²⁺）+n（Fe²⁺）=n（Cu²⁺）+2n（Cu²⁺）=0.024mol，求得：n（Cu²⁺）=0.008mol，c（Cu²⁺）=

0.008mol

0.01L

=0.8 mol?L^-1，则
n（Fe²⁺）=2n（Cu²⁺）=0.016mol，c（Fe²⁺）=

0.016mol

0.01L

=1.6 mol?L^-1，
故答案为：0.4；1.6；0.8；
[交流讨论]：根据上面计算可知，c（Fe³⁺）=0.4 mol?L^-1，c（Cu²⁺）=0.8 mol?L^-1，进入wg铁粉，铁粉质量不足，溶液中有残留的铜离子；使用硝酸做氧化剂，反应后引进了杂质硝酸根离子，
故答案为：加入铁粉不足，溶液中有残留的Cu²⁺；用HNO₃氧化，会引入新的杂质NO₃^-；
[拓展延伸]：上述1L废液含有n（Fe³⁺）=0.4mol，n（Cu²⁺）=0．，8mol，铁先发生Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺ 后发生Cu²⁺+Fe=Fe²⁺+Cu，0.4molFe³⁺消耗0.2molFe，此时n（Cu²⁺）=0.8mol，得到坐标（0.2，0.8），然后Cu²⁺+Fe=Fe²⁺+Cu反应，消耗铁的物质的量与Cu²⁺减少的物质的量相等，可得到如下几个坐标（0.4，0.6）、（0.6，0.4）（0.8，0.2）、（1.0，0），根据以上关系可以画出1L废液中加入铁粉的物质的量与废液中铜离子的物质的量的关系曲线：
；
当铜离子物质的量变为0.4mol时，加入铁的物质的量为0.6mol，质量为0.6mol×56g/mol=33.6g，
故答案为：；33.6．

点评：本题考查铜、铁极其离子的反应，侧重于物质的推断和离子浓度的计算，题目难度较大，试题体现了电荷守恒思想，作图能力和计算能力为本题难点、易错点．