第16讲 化学综合实验
1. (2022·湖北适应性)无水FeCl3是常用的芳香烃取代反应催化剂,它具有易水解、易升华的性质。铁粉与氯气反应制备无水FeCl3的实验装置如图所示。
E和G用来收集产物。回答下列问题:
(1) 通入氯气后,A中观察到有酸雾产生,C中P2O5的作用是____________。
(2) 在E、G处收集产物是利用了FeCl3________的性质。
(3) 实验过程中若F处出现堵塞,则在B处可观察到的现象是________________________。可通过______________(填简单操作),使实验能继续进行。
(4) I中反应的离子方程式为__________________________________。
(5) 某同学用5.60 g干燥铁粉制得无水FeCl3样品13.00 g,该次实验的产率是________。
(6) 实验室中还常用SOCl2与FeCl3·6H2O晶体共热制备无水FeCl3,其化学反应方程式为__________________________________。检验水合三氯化铁原料中是否存在FeCl2的试剂是_____________________________________。
2. (2021·江苏适应性)以印刷线路板的碱性蚀刻废液{主要成分为[Cu(NH3)4]Cl2}或焙烧过的铜精炼炉渣(主要成分为CuO、SiO2少量Fe2O3)为原料均能制备CuSO4·5H2O晶体。
(1) 取一定量蚀刻废液和稍过量的NaOH溶液加入如图所示实验装置的三颈瓶中,在搅拌下加热反应并通入空气,待产生大量的黑色沉淀时停止反应,趁热过滤、洗涤,得到CuO固体;所得固体经酸溶、结晶、过滤等操作,得到CuSO4·5H2O晶体。
①写出用蚀刻废液制备CuO反应的化学方程式:_________________________。
②检验CuO固体是否洗净的实验操作是_________________________________________________________________________________________________________________________________。
③装置图中装置X的作用是_____________________________。
(2) 以焙烧过的铜精炼炉渣为原料制备CuSO4·5H2O晶体时,请补充完整相应的实验方案:取一定量焙烧过的铜精炼炉渣,____________________________,将滤液加热浓缩、冷却结晶、过滤、晾干,得到CuSO4·5H2O晶体。
已知:①该实验中pH=3.2时,Fe3+完全沉淀;pH=4.7时,Cu2+开始沉淀。②实验中可选用的试剂:1.0 mol/L H2SO4溶液、1.0 mol/L HCl溶液、1.0 mol/L NaOH溶液。
(3) 通过下列方法测定产品纯度:准确称取0.500 0 g CuSO4·5H2O样品,加适量水溶解,转移至碘量瓶中,加过量KI溶液并用稀硫酸酸化,以淀粉溶液为指示剂,用0.100 0 mol/L Na2S2O3标准溶液滴定至终点,消耗Na2S2O3的溶液19.80 mL。测定过程中发生下列反应:2Cu2++4I-===2CuI↓+I2、2S2O+I2===S4O+2I-。计算CuSO4·5H2O样品的纯度(写出计算过程,保留2位小数。O—16,S—32,Cu—64)。
3. (2022·苏州期末)由铜精炼炉渣(含Cu、Cu2O和少量Al2O3等)获取CuCl,并以CuCl为原料制备超细铜粉。
已知:①CuCl是白色难溶于水的固体,溶于浓盐酸产生CuCl,溶于Na2S2O3溶液:CuCl+2Na2S2O3===Na3[Cu(S2O3)2]+NaCl。
②4[Cu(S2O3)2]3-+N2H4·H2O+4OH-===4Cu↓+N2↑+5H2O+8S2O。
③常温下,Ksp[Al(OH)3]=1×10-33。
(1) 预处理。
①“酸浸”时需通入空气的目的是______________________。
②“调节pH=5”所得滤液Al3+的物质的量浓度为________________。
(2) 制备CuCl。将含CuSO4的溶液和一定质量的NaCl加入三颈烧瓶中(装置见图1),通入SO2,充分反应后,过滤,得CuCl和滤液。
图1
①装置b的作用是_____________________________________________。
②装置a中发生反应的离子方程式为_________________________。
③CuCl产率随的变化如图2所示,当大于1.6时,CuCl的产率减小的原因是 。
图2
(3) 制备超细铜粉。已知用水合肼(N2H4·H2O)还原Na3[Cu(S2O3)2]制备铜粉时,反应温度对铜粉产率的影响如图3所示。请补充完整由CuCl获取铜粉的实验方案:向0.1 mol/L Na2S2O3溶液中分批加入CuCl固体,边加边搅拌,______________________________________________________________________________________________________________________________ (实验中须使用的试剂:0.6 mol/L N2H4·H2O溶液、1 mol/L NaOH溶液,0.1 mol/L AgNO3溶液)。
图3
4. (2022·扬州一模)水杨醛亚胺的钴配合物可吸收O2形成氧载体,用于燃料油的氧化脱硫。
(1) 制备钴配合物:向烧瓶中加入水杨醛亚胺(A)、无水乙醇,水浴加热条件下迅速加入醋酸钴溶液。生成的沉淀冷却至室温后,抽滤,重结晶,干燥,得到水杨醛亚胺的钴配合物(B)。
①基态Co2+核外电子排布式为________。配合物B中的配位原子是________。
②可供选择的实验装置如图所示,应选________(填序号)用于制备,理由:___________________________________________________________________________________________________________________。
③为避免反应过程中生成的钴配合物(B)吸收O2,可采用的方法为_______________________________________________________。
(2) 制备醋酸钴溶液:利用废钴镍电池的金属电极芯(主要成分为Co、Ni,还含少量Fe)可生产醋酸钴溶液。
已知:Co3+可将H2O2氧化;Ni3+的氧化性极强,在水溶液中不存在;在实验条件下,部分阳离子沉淀时溶液pH如下表。
沉淀物 溶液pH
开始沉淀 完全沉淀
Fe(OH)3 2.2 3.2
Fe(OH)2 7.4 8.9
Co(OH)2 7.6 9.4
Co(OH)3 0.1 1.1
Ni(OH)2 7.6 9.2
①酸性溶液中加入NaClO可将Co2+氧化为Co(OH)3,其离子方程式为________________________________。
②请补充完整实验方案:取一定量已粉碎的电极芯,加入稀硫酸充分溶解后过滤,所得滤液中含Co2+、Ni2+、Fe2+,_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________,
加入10%Na2CO3溶液生成CoCO3沉淀,用CH3COOH溶解得到醋酸钴溶液(实验中须使用的试剂:NaClO溶液、稀硫酸、H2O2溶液、NaOH溶液)。
5. (2022·苏北四市一模)碘酸钙[Ca(IO3)2]微溶于水,在不同温度下存在的形态不同,在60 ℃时最稳定,温度低于60 ℃会生成碘酸钙的水合物。一种制备少量Ca(IO3)2晶体流程如图所示。
(1) 制取KIO3溶液。先将一定量KClO3固体与碘水或盐酸其中一种溶液混合后加入三颈烧瓶(如图)。再用分液漏斗将另一种溶液缓慢滴加至三颈烧瓶中,充分反应,该溶液是_________________________(填名称)。
80 ℃水浴加热,反应生成Cl2和IO,该反应的离子方程式为___________________________________。
(2) 制取Ca(IO3)2晶体。请补全由反应后三颈烧瓶中的溶液制备Ca(IO3)2晶体的实验方案:取反应后三颈烧瓶中的溶液,___________________________________________________,
干燥,得到Ca(IO3)2晶体[Ca(IO3)2沉淀需“洗涤完全”。实验中必须使用的试剂:Ca(OH)2、蒸馏水、硝酸酸化的硝酸银溶液]。
(3) 测定Ca(IO3)2的Ksp。室温下,将碘酸钙溶于蒸馏水,放置一段时间,使其建立沉淀溶解平衡,过滤,得到碘酸钙饱和溶液。移取上述溶液5.00 mL于碘量瓶,加过量KI溶液并用稀硫酸酸化,以淀粉为指示剂,用0.03 mol/L Na2S2O3标准溶液滴定至终点,消耗Na2S2O3标准溶液12.00 mL。测定过程中发生下列反应:IO+I-+H+―→I2+H2O(未配平),2S2O+I2===S4O+2I-。
①滴定终点的现象为_____________________________________________。
②计算Ca(IO3)2在室温下的Ksp(写出计算过程)。
6. (2022·海门期末)Li2CO3可用于制备锂电池的正极材料LiCoO2,以某锂云母矿石(主要成分为Li2O,还有Al2O3、Fe2O3、MnO、MgF2等杂质)制备Li2CO3。已知:①Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38、Ksp[Mn(OH)2]=2.0×10-13、Ksp[Mg(OH)2]=1.2×10-11、Ksp[Al(OH)3]=1.0×10-33。②Co3O4、CoO均难溶于水,Co3O4难溶于酸,CoO能溶于酸中。③当溶液中的离子浓度小于10-5 mol/L时,已完全沉淀。④部分物质的溶解度曲线见图1。
图1
利用锂云母矿石制备Li2CO3步骤如下:
(1) 酸浸。向锂云母矿石中加入30%硫酸溶液,加热至90 ℃,装置如图2所示。烧杯中试剂的作用是___________________________________________。
,图2)
(2) 调pH。向酸浸后的溶液中加入NaOH溶液,调节pH约为6,过滤。再向滤液中继续滴加氢氧化钠溶液调pH>13,过滤,此时的滤渣主要成分为________________________。分两次调节pH的主要原因是________________________________________________________________________。
(3) 沉锂。将已经除杂的溶液蒸发浓缩,向浓缩后的滤液中加入稍过量饱和Na2CO3溶液,加热煮沸,趁热过滤,将滤渣洗涤烘干,得Li2CO3固体。浓缩液中离子浓度过大将在产品中引入________________(填化学式)杂质。
(4) Li2CO3和Co3O4混合后,在空气中高温加热可以制备锂电池的正极材料LiCoO2,写出反应的化学方程式:__________________________________。
(5) Co3O4可由CoCO3热分解制备。CoCO3在有氧和无氧环境下的所得Co3O4和CoO的百分含量与温度关系如图所示。请补充完整由CoCO3制备较纯净的Co3O4实验方案,取一定质量的CoCO3于热解装置中,_______________________________________________________,干燥(须使用的试剂和仪器有:1 mol/L H2SO4溶液、蒸馏水、BaCl2溶液)。
7. (2022·海安期末)Co3O4在磁性材料、电化学领域应用广泛,实验室中可以用CoCO3或CoC2O4煅烧后制得。利用钴渣[含Co(OH)3、Fe(OH)3等]制备钴氧化物的流程如图所示。已知:Ksp[Co(OH)2]=1.6×10-15,Ksp(BaC2O4)=1.6×10-7,Ksp(CoC2O4)=6.3×10-8。煅烧CoCO3:300~600 ℃生成Co3O4,1 100 ℃以上生成Co2O3。
(1) “溶解还原”过程中Co(OH)3发生反应的离子方程式为____________________________________________。
(2) “沉钴”时,不能用Na2C2O4溶液代替(NH4)2C2O4溶液,原因是__________________________________________________。
(3) 检验CoC2O4固体是否洗净的实验操作是____________________________________________________________________________________________________ 。
(4) 为测定草酸钴样品中CoC2O4·2H2O的质量分数进行如下实验:
①取草酸钴(CoC2O4·2H2O,摩尔质量为183 g/mol)样品3.050 g,加入100.00 mL 0.100 0 mol/L酸性KMnO4溶液,加热(该条件下Co2+不被氧化)。
②充分反应后将溶液冷却至室温,加入250 mL容量瓶中,定容。
③取25.00 mL溶液,用0.100 0 mol/L FeSO4溶液滴定,消耗FeSO4溶液18.00 mL。
计算样品中CoC2O4·2H2O的质量分数(写出计算过程)。
水解速率对生成CoCO3沉淀较为适宜。设计以CoCl2溶液、尿素粉末、盐酸为原料,制备Co3O4的实验方案:取一定体积CoCl2溶液, ___________________________________________________________________________________________________________________。
8. (2022·如东期末)[Co(NH3)6]Cl3[三氯化六氨合钴(Ⅲ)]是制备其他三价钴配合物的重要试剂。实验室以含钴单质(杂质不溶于盐酸)为原料经二氯化钴制备[Co(NH3)6]Cl3·6H2O晶体。
已知:①Co2+不易被氧化,Co3+具有强氧化性;[Co(NH3)6]2+具有较强还原性,[Co(NH3)6]3+性质稳定。②[Co(NH3)6]Cl3·6H2O在水中的溶解度随温度的升高而增大,加入浓盐酸有利于晶体析出。
(1) 溶解。将钴单质溶于稀盐酸,过滤除去杂质,得到CoCl2溶液。写出该反应的化学方程式:___________________________________ _________________________________________________________________。
(2) 混合。向CoCl2溶液中加入少量NH4Cl溶液,加入活性炭作催化剂。加入的NH4Cl溶液有利于后续Co2+与NH3的配合反应,其原理是_____________________________。
(3) 配合、氧化。如图装置,先向三颈烧瓶滴加过量氨水、H2O2溶液中的一种,充分反应,再向混合溶液中滴加另一种溶液,加热,充分搅拌,生成的[Co(NH3)6]Cl3吸附在活性炭上。
①另一种溶液是____________溶液。
②控制三颈烧瓶中溶液温度为60 ℃的原因是___________________________________________________________________。
③加入H2O2溶液时发生反应的离子方程式为____________________________________________________________________________________________________________________________。
(4) 制备[Co(NH3)6]Cl3·6H2O。请补充完整实验方案:将三颈烧瓶中所得混合物___________________________________, ___________________________低温干燥。已知:稀盐酸可将吸附在活性炭上的[Co(NH3)6]Cl3溶解。实验中须使用的试剂:稀盐酸、浓盐酸、无水乙醇。
第16讲 化学综合实验
1. (1) 除去酸雾 (2) 易升华 (3) B处有气泡产生 适当加热F处 (4) Cl2+2OH-===Cl-+ClO-+H2O (5) 80.00% (6) FeCl3·6H2O+6SOCl2===FeCl3+12HCl+6SO2↑ 铁氰化钾溶液
2. (1) ①[Cu(NH3)4]Cl2+2NaOHCuO↓+2NaCl+4NH3↑+H2O ②取最后一次洗涤液少量于试管,向试管中加硝酸酸化的硝酸银溶液,若无白色沉淀生成,则已经洗涤干净,若有白色沉淀生成,则未洗涤干净 ③防倒吸 (2) 加入适量1.0 mol/L H2SO4溶液溶解固体,逐滴加入1.0 mol/L NaOH溶液,调节溶液pH在3.2~4.7,过滤 (3) 根据关系式:CuSO4·5H2O~Na2S2O3可知,样品中CuSO4·5H2O的物质的量为0.100 0 mol/L×0.019 8 L=0.001 98 mol,则CuSO4·5H2O样品的纯度=×100%=99.00%
【解析】 (1) ②检验CuO固体是否洗净主要是检验洗涤液中是否含有Cl-。③三颈烧瓶中反应生成了氨气,氨气极易溶于水,因此装置图中装置X的作用是防倒吸。
3. (1) ①将Cu、Cu2O氧化溶解,搅拌反应混合物 ②1×10-6 mol/L (2) ①防止倒吸(或安全瓶) ②2Cu2++2Cl-+SO2+2H2O===2CuCl↓+SO+4H+ ③当>1.6时,部分CuCl转化为CuCl (3) 待固体完全溶解,向所得溶液中加入过量1 mol/L NaOH溶液,水浴加热控制温度为70 ℃。滴加0.6 mol/L N2H4·H2O溶液,搅拌使其充分反应,待溶液中无气泡产生,停止滴加,静置冷却,过滤,洗涤,取最后一次洗涤滤液,向其中滴加0.1 mol /L AgNO3溶液无浑浊
【解析】 (1) ①酸浸通入空气的目的是利用空气中的氧气将Cu、Cu2O在酸性条件下氧化为Cu2+;同时也起到了搅拌的作用,加快反应速率;②25 ℃下,pH=5时,溶液中c(OH-)=10-9 mol/L,根据Ksp[Al(OH)3]=1×10-33可知,此时溶液中c(Al3+)= mol/L=1×10-6 mol/L。(2) ②在装置a中,通入的SO2将Cu2+还原为Cu+,生成的Cu+与Cl-结合生成CuCl沉淀,而SO2被氧化为SO。③由“已知①”的描述可知,当的比值大于1.6时,溶液中c(Cl-)增大,将部分CuCl转化为CuCl,从而导致CuCl产率降低。
4. (1) ①[Ar]3d7 N、O ②Ⅰ 装置Ⅰ与外界大气相通且有冷凝回流作用,装置Ⅱ密闭体系不利于实验安全 ③向装置中通入一定量N2(排出装置中的空气)、干燥过程中保持真空等(合理措施皆可) (2) ①2Co2++ClO-+5H2O===Cl-+2Co(OH)3↓+4H+ ②向滤液中加入足量H2O2溶液,充分反应后加入NaOH溶液调节pH略大于3.2,过滤;向所得滤液中加足量NaClO溶液,并用NaOH溶液调节1.1≤pH<7.6,过滤;向所得沉淀中加入稀硫酸和H2O2溶液至完全溶解
【解析】 (1) ①根据配合物B的结构可知,与Co形成的键都是配位键,故配位原子是N、O。②由于乙醇具有挥发性,故选择与大气相通的球形干燥装置,这样既能防止装置中压强过大造成危险,还能使乙醇冷凝回流,故选装置Ⅰ。(2) ②要制得醋酸钴溶液,应将滤液中的Fe2+、Ni2+除去,由表格中的数据可看出,应先加入H2O2将Fe2+氧化成Fe3+,然后调节溶液的pH略大于3.2,使得Fe3+转变为Fe(OH)3而除去,根据已知中的内容,此时H2O2不能将Co2+氧化,向过滤后的溶液中加足量NaClO溶液,将Co2+氧化成Co3+,为了使得Co3+生成Co(OH)3且Ni2+不生成沉淀,应用NaOH溶液调节1.1≤pH<7.6,过滤;所得滤渣中只含有Co(OH)3,故向滤渣中加入稀硫酸和H2O2溶液至完全溶解,此时Co(OH)3溶解并被H2O2还原为Co2+,然后再加入Na2CO3溶液得到CoCO3沉淀,加入CH3COOH后得到醋酸钴溶液。
5. (1) 盐酸 I2+2ClO2IO+Cl2↑ (2) 置于60 ℃水浴中,在搅拌下向其中滴加Ca(OH)2溶液,至不再有沉淀产生为止,静置后趁热过滤,用60 ℃热水洗涤2~3次,取最后一次洗涤滤液少许于试管中,滴加硝酸酸化的硝酸银溶液,无白色沉淀生成 (3) ①溶液由蓝色变成无色,且半分钟内无明显变化 ②n(Na2S2O3)=0.03 mol/L×12.00×10-3 L=3.6×10-4 mol,由IO~3I2~6S2O知,n(IO)=×n(Na2S2O3)=×3.6×10-4 mol=6×10-5 mol,c(IO)==1.2×10-2 mol/L,c(Ca2+)=×c(IO)=6×10-3 mol/L,Ksp[Ca(IO3)2]=c(Ca2+)·c2(IO)=6×10-3×(1.2×10-2)2=8.64×10-7
【解析】 (1) 由于KClO3具有强氧化性,能将盐酸氧化而生成Cl2,故应先将KClO3溶液与碘水混合,最后加入盐酸。(2) 因为温度低于60 ℃时易生成碘酸钙的水合物,所以应将烧瓶中的溶液置于60 ℃的水浴中,在搅拌的条件下加入Ca(OH)2,溶液中反应生成Ca(IO3)2沉淀,加入Ca(OH)2至不再生成沉淀时,静置后趁热过滤,用60 ℃水洗涤2~3次,用硝酸酸化的硝酸银溶液检验是否洗涤干净,最后干燥可得碘酸钙晶体。(3) ①加入淀粉后溶液显蓝色,故到达滴定终点时,溶液由蓝色变为无色,且半分钟内溶液颜色无变化。
6. (1) 吸收HF,防止污染空气 (2) Mg(OH)2、Mn(OH)2 防止铝元素转化为AlO,无法去除 (3) Na2SO4 (4) 6Li2CO3+4Co3O4+O212LiCoO2+6CO2 (5) 在空气中加热固体,温度在900~1 000 ℃保持一段时间,取出固体,冷却。边搅拌、边向固体中加入1 mol /L H2SO4溶液至固体不再减少,过滤,用蒸馏水洗涤滤渣至取最后一次洗涤液加BaCl2溶液无明显现象
【解析】 (1) “酸浸”时向锂云母矿石中加入30%硫酸,加热至90 ℃,发生反应:MgF2+H2SO4===MgSO4+2HF,HF是一种能挥发且有毒的酸性物质,烧杯中的试剂能吸收HF,防止污染空气。(2) 由溶度积公式知,当pH为6时,c(Fe3+)= mol/L=4.0×10-14 mol/L,c(Al3+)= mol/L=1.0×10-9 mol/L,c(Mn2+)= mol/L=2.0×103 mol/L,c(Mg2+)= mol/L=1.2×105 mol/L,说明此时Al3+、Fe3+已完全沉淀,而Mg2+、Mn2+还未开始沉淀,继续调节pH>13,则此时c(Mn2+)< mol/L=2.0×10-11 mol/L,c(Mg2+)< mol/L=1.2×10-9 mol/L,即Mg2+、Mn2+沉淀完全,此时沉淀为Mn(OH)2、Mg(OH)2,Al(OH)3能溶于强碱溶液转化为AlO,引入新的杂质,很难除去。(3) “沉锂”步骤中发生的反应为Li2SO4+Na2CO3===Li2CO3↓+Na2SO4,由溶解度随温度变化的关系图可知,温度高于40 ℃时,Na2SO4的溶解度随温度升高而减小,且温度高于50 ℃时,Na2SO4的溶解度小于Na2CO3的溶解度,故浓缩液中离子浓度过大将在产品中引入Na2SO4杂质。
7. (1) 2Co(OH)3+4H++SO===2Co2++SO+5H2O (2) Na2C2O4溶液的碱性强于(NH4)2C2O4溶液,溶液碱性太强易生成Co(OH)2沉淀 (3) 取最后一次洗涤滤液少许于试管中,先加入盐酸酸化,再加入BaCl2溶液,若无白色沉淀生成,说明洗涤干净,反之,则未洗涤干净 (4) 由得失电子守恒知,与FeSO4反应的n(KMnO4)=n(FeSO4)=×18.00×10-3L×0.100 0 mol/L×=0.003 6 mol,则与CoC2O4反应的KMnO4的物质的量=0.1 L×0.100 0 mol /L-0.003 6 mol=0.006 4 mol,由得失电子守恒知,n(CoC2O4)=n(KMnO4)=×0.006 4 mol=0.016 mol,故样品中CoC2O4·2H2O的质量分数为×100%=96.00% (5) 加入稀盐酸调节溶液pH为1~3,在70 ℃水浴中边搅拌边滴加尿素溶液,充分反应后过滤出沉淀,洗涤沉淀,干燥,并在300~600 ℃温度下高温煅烧至恒重,即可制得Co3O4固体
【解析】 (3) 此实验中生成的CoC2O4表面含有可溶性杂质离子为SO等,故用酸化的BaCl2溶液检验即可。(5) 已知:尿素水溶液在70 ℃以上能缓慢水解产生CO,在pH为1~3时水解速率对生成CoCO3沉淀较为适宜。结合题干信息可知,CoCO3煅烧300~600 ℃生成Co3O4,1 100 ℃以上生成Co2O3,据此可写出制备Co3O4的实验方案。
8. (1) Co+2HCl===CoCl2+H2↑
(2) 抑制NH3·H2O的电离和Co2+的水解 (3) ①H2O2 ②保证较快的反应速率,减少氨气的挥发及H2O2的分解
③2[Co(NH3)6]2++H2O2+2NH===2[Co(NH3)6]3++2NH3·H2O (4) 趁热过滤,向滤渣中加入热的稀盐酸溶解,趁热过滤,冷却后向滤液中加入少量浓盐酸,边加边搅拌,充分静置后过滤,用无水乙醇洗涤滤渣2~3次
【解析】 (2) NH4Cl是强酸弱碱盐,在溶液中NH水解导致溶液显酸性,可以抑制CoCl2在溶液中的水解,同时由于溶液中NH增大,可以抑制NH3·H2O的电离,增大NH3的浓度,有利于后续Co2+与NH3的配合反应。(3) ①将[Co(NH3)6]2+氧化为[Co(NH3)6]3+,反应后不产生杂质离子,则加入的另外一种物质是H2O2。
