Question

已知常温时反应2Fe³⁺+Cu2Fe²⁺+Cu²⁺在水溶液中能发生，将22.4 g由铜和三氧化二铁组成的混合物粉末加入到浓度为1 mol·L^-1的硫酸中，使之发生反应。

(1)若固体恰好全部溶解，消耗硫酸的体积为V，则V的取值范围为_________。

(2)若硫酸溶液过量，反应后溶液的体积为1 L，测得溶液中Fe²⁺浓度为0.1 mol·L^-1，则原始混合物中含铜的质量为_________。

Answer 1

(1)0.3 L≤V＜0.42 L  (2)14.4 g或3.2 g

解析:固体全部溶解，涉及的反应有：

①Fe₂O₃+3H₂SO₄Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

②Fe₂(SO₄)₃+Cu2FeSO₄+CuSO₄

假设固体只有Fe₂O₃，反应仅按①进行，显然恰好反应时，应满足：1 mol·L^-1×V=3×22.4 g/160 g·mol^-1，解得V=0.42 L。

    假设固体是Cu和Fe₂O₃的混合物，反应按①②两式进行，若要固体恰好溶解，物质的量应满足：n(Cu)=n〔Fe₂(SO₄)₃〕=n(Fe₂O₃)=x mol，依题意：64x+160x=22.4,解得x=0.1

    由反应①得关系式1 mol·L^-1×V=3×0.1 mol,V=0.3 L。

    所以V的取值范围是：0.3 L≤V＜0.42 L

(2)溶液中，n(Fe²⁺)=0.1 mol，它是由反应式②生成的，因为Fe₂(SO₄)₃和Cu谁过量，题目中不明确，故需要加以讨论。

    若Cu过量，是n(Fe₂O₃)=n〔Fe₂(SO₄)₃〕=1/2n(Fe₂SO₄)=0.05 mol，Cu的质量为：22.4 g-m(Fe₂O₃)=22.4 g-0.05 mol×160 g·mol^-1=14.4 g

    若Fe₂(SO₄)₃过量，则n(Cu)=1/2n(FeSO₄)=0.05 mol，Cu的质量为0.05 mol×64 g·mol^-1=3.2 g

    综上讨论，原混合物中铜的质量为14.4 g或3.2 g。