Question

小王同學(xué)對(duì)化學(xué)充滿了興趣，喜歡做各種實(shí)驗(yàn)．有一次他和其它同學(xué)對(duì)鎂進(jìn)行了一些研究：
【Ⅰ】他們用砂紙打磨掉表面灰黑色的物質(zhì)，將其放入水中，未看到有明顯的現(xiàn)象，改用酒精燈加熱后，觀察到表面有大量氣泡，經(jīng)驗(yàn)是氫氣．他們又向溶液中滴加無色酚酞試液，發(fā)現(xiàn)酚酞變成紅色，說明有

OH^-

產(chǎn)生．該實(shí)驗(yàn)表明化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生和速率與

溫度

有關(guān)，許多物質(zhì)的

反應(yīng)速度

隨溫度的升高而增大．
【Ⅱ】該小組成員開始研究鎂帶表面的灰黑色物質(zhì)，小王大膽提出了三個(gè)假設(shè)：
假設(shè)1該物質(zhì)是MgO；假設(shè)2該物質(zhì)是Mg（OH）₂；假設(shè)3鎂可能會(huì)象銅一樣生成堿式碳酸鎂．
但其它同這立即否定了他的假設(shè)1和2，因?yàn)楦鶕?jù)所學(xué)的知識(shí)MgO，Mg（OH）₂都是

白

色固體．對(duì)于假設(shè)3，他們?cè)O(shè)計(jì)了如下方案

實(shí)驗(yàn)方案	實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象	實(shí)驗(yàn)結(jié)論
		證明有CO32-
取樣于試管，加熱		證明有氫元素

【III】他們?cè)谌℃V帶表面灰黑色樣品時(shí)感到比較困難，索性將表面發(fā)黑的鎂帶全部磨成粉末，放入干燥的硬質(zhì)試管中加熱，一段時(shí)間后，鎂粉突然出現(xiàn)紅熱燃燒起來，反應(yīng)停止后有少量黑色物質(zhì)A粘在試管壁上，這黑色物質(zhì)A中混有什么？他們查資料篩選出幾條有價(jià)值的信息：
（1）2Mg+CO₂=2MgO+C； （2）C+2H₂SO₄（濃）=CO₂↑+SO₂↑+H₂O；（3）SO₂+Ca（OH）₂=CaSO₃↓（白）+H₂O．
試分析A物質(zhì)為

C

，根據(jù)上述信息，他們又設(shè)計(jì)了下列實(shí)驗(yàn)，幫助他們完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告：

實(shí)驗(yàn)方案	實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象	實(shí)驗(yàn)結(jié)論
取反應(yīng)后試管內(nèi)樣品，先滴加過量的 稀硫酸	固體部分溶解
再 加熱  （填一具體的實(shí)驗(yàn)操作）	黑色固體全部溶解

【Ⅳ】為驗(yàn)證碳和濃硫酸反應(yīng)的三種產(chǎn)物，應(yīng)將氣體通過下列三種試劑（假設(shè)每步均完全）即：
氣體→

無水硫酸銅

→

高錳酸鉀溶液

→

澄清石灰水

；
（現(xiàn)象依次為）

白色固體變藍(lán)

、

紫紅色褪去

、

澄清石灰水變渾濁

【V】該興趣小組的同學(xué)進(jìn)一步又查出胃藥堿式碳酸鎂有多種不同的組成，如Mg₂（OH）₂CO₃、Mg₄（OH）₂（CO₃）₃、Mg₅（OH）₂（CO₃）₄等．小紅同學(xué)為確定堿式碳酸鎂的組成，設(shè)計(jì)如圖所示的實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)步驟（1）按圖組裝置后，首先進(jìn)行的操作是

檢查裝置的氣密性

．E處干燥管內(nèi)盛放的藥品是

堿石灰

，其作用是

防止空氣中的水蒸氣進(jìn)入裝置

．
實(shí)驗(yàn)步驟（2）稱取樣品31g，并將其放入硬質(zhì)玻璃管中，稱量裝濃硫酸的洗氣瓶C的質(zhì)量為87.6g，裝堿石灰的U型管D的質(zhì)量為74.7g．
實(shí)驗(yàn)步驟（3）打開活塞

K₁K₂

，關(guān)閉

K₃

，緩慢鼓入空氣數(shù)分鐘．
實(shí)驗(yàn)步驟（4）關(guān)閉活塞

K₁K₂

，打開

K₃

，點(diǎn)燃酒精燈加熱至不再產(chǎn)生氣體為止．
實(shí)驗(yàn)步驟（5）打開活塞K1，緩緩鼓入空氣數(shù)分鐘，然后拆下裝置，稱得洗氣瓶C的質(zhì)量為89.4g，U型管D的質(zhì)量為87.9g，則該堿式碳酸鎂的化學(xué)式為

Mg₄（OH）₂CO₃

．
【Ⅵ】小明認(rèn)為其化學(xué)式可用Mgx（OH）₂（CO₃）y表示，根據(jù)化合價(jià)規(guī)律，x和y的關(guān)系是

x=y+1

，寫出該物質(zhì)分解的方程式：

Mgx（OH）₂（CO₃）_y

△   .

xMgO+H₂O+yCO₂↑

小明設(shè)計(jì)了兩套方案（忽略裝置中原來的氣體）
方案I：只測(cè)定分解后生成的水，連接方案是A→C→B，則C中盛放的藥品是

濃硫酸

，B中盛放的藥品是

氯化鈣固體

方案II：只測(cè)定分解生成的CO₂的質(zhì)量，連接方案是A→C→B→C，則B中的藥品是

堿石灰

，最后連接的C中的藥品是

氫氧化鈉溶液

請(qǐng)你設(shè)計(jì)出更簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法

加熱堿式碳酸鎂稱量反應(yīng)前后固體質(zhì)量

．

若取樣品7.88克，方案I測(cè)得生成水0.36g，方案II測(cè)得生成CO₂ 3.52g，請(qǐng)你選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得出堿式碳酸鎂的化學(xué)式．

Answer 1

分析：【I】依據(jù)敘述的信息以及反應(yīng)進(jìn)行時(shí)的條件變化分析解答即可；
【II】依據(jù)氧化鎂氫氧化鎂的認(rèn)識(shí)結(jié)合碳酸根和氫元素的鑒定方式解決即可；
【III】利用題干中提供的相關(guān)反應(yīng)的信息結(jié)合有關(guān)物質(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析探討即可；
【IV】依據(jù)物質(zhì)檢驗(yàn)的一般規(guī)律以及反應(yīng)的現(xiàn)象對(duì)問題進(jìn)行分析探討即可；
【V】根據(jù)反應(yīng)過程的要求對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行判斷，根據(jù)生成的水與二氧化碳的質(zhì)量推斷堿式碳酸鎂的化學(xué)式．
【VI】依據(jù)堿時(shí)碳酸鎂分解的產(chǎn)物情況結(jié)合相關(guān)的吸收裝置的使用要求以及化學(xué)方程式的相關(guān)計(jì)算分析解答即可；

解答：解：【I】依據(jù)敘述的信息中加熱前后反應(yīng)的情況可知該反應(yīng)的速度與溫度有關(guān)，滴加酚酞溶液變紅說明溶液呈堿性，說明該反應(yīng)生成了氫氧根；
【II】由所學(xué)可知氧化鎂氫氧化鎂均是白色固體，所以灰黑色固體一定不是這兩者，要想證明溶液中含有碳酸根離子可對(duì)該物質(zhì)加稀鹽酸進(jìn)行檢驗(yàn)，如果加入鹽酸有氣泡生成則證明含有碳酸根，如果固體加熱時(shí)生成水珠，則證明固體中含有氫元素；
【III】根據(jù)題干中提供的相關(guān)反應(yīng)以及物質(zhì)的性質(zhì)可知，該黑色物質(zhì)只能是碳，由于所列物質(zhì)中只有氧化鎂能與稀硫酸反應(yīng)而溶解，所以加入稀硫酸固體部分溶解，能證明固體中含有氧化鎂；加熱后稀硫酸轉(zhuǎn)化成了濃硫酸，碳能與之反應(yīng)，所以黑色固體全部溶解，證明固體中含有碳；
【IV】檢驗(yàn)C+2H₂SO₄（濃）=CO₂↑+SO₂↑+H₂O反應(yīng)的三種產(chǎn)物時(shí)首先應(yīng)該檢驗(yàn)水的存在，采用無水硫酸銅即可，因?yàn)闊o水硫酸銅遇水會(huì)變藍(lán)，而后檢驗(yàn)二氧化硫的存在，由于二氧化硫具有漂白的作用，所以可使氣體通過紫色的高錳酸鉀溶液，如果紫紅色褪去，則證明二氧化硫的存在；二氧化碳的存在鑒定可使其通過澄清石灰水完成，如果石灰水變渾濁，則二氧化碳存在；
【V】改裝置使用時(shí)必須密封進(jìn)行，所以實(shí)驗(yàn)前一定要先檢查裝置的氣密性，因?yàn)镈裝置是檢驗(yàn)生成二氧化碳的質(zhì)量，所以不能讓空氣中的二氧化碳進(jìn)入干擾測(cè)量的結(jié)果，因此E裝置中也要放入堿石灰以防止二氧化碳的進(jìn)入；
實(shí)驗(yàn)步驟3應(yīng)先打開K₁K₂，關(guān)閉K₃，鼓入空氣數(shù)分鐘排凈原來裝置內(nèi)的空氣，以防止原有空氣中的水蒸氣以及二氧化碳對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，再關(guān)閉K₁K₂，點(diǎn)燃酒精燈加熱至不再產(chǎn)生氣體為止．
根據(jù)裝濃硫酸的洗氣瓶C的質(zhì)量變化為89.4g-87.6g=1.8g，裝堿石灰的U型管D的質(zhì)量變化為87.9g-74.7g=13.2g．則反應(yīng)生成的水的質(zhì)量是1.8g與二氧化碳的質(zhì)量是13.2g．
則氧化鎂的質(zhì)量為31g-1.8g-13.2g=16g，所以該物質(zhì)中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

16g× 24 24+16

31g

×100%≈31%，而Mg₂（OH）₂CO₃、Mg₄（OH）₂（CO₃）₃、Mg₅（OH）₂（CO₃）₄三物質(zhì)中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為

24×2

24×2+2×(16+1)+12+16×3

×100%=33.8%；

24×4

24×4+2×(16+1)+3×(12+16×3)

×100%≈31%；

24×5

24×5+2×(16+1)+4×(12+16×3)

×100%≈26.7%；所以該物質(zhì)是Mg₄（OH）₂（CO₃）₃；
【VI】因?yàn)榛�合物中各元素的化合價(jià)代數(shù)和為零，所以由化學(xué)式Mgx（OH）₂（CO₃）y可知（+2）x+（-1）×2+（-2）×y=0，則知x和y的關(guān)系是x=y+1，則Mgx（OH）₂（CO₃）_y分解的方程式為：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y

△   .

xMgO+H₂O+yCO₂↑．
方案I：只測(cè)定分解后生成的水，連接方案是A→C→B，則C中盛放的藥品應(yīng)該是液態(tài)的濃硫酸，而B中則應(yīng)是能阻擋外界空氣中水蒸氣進(jìn)入的干燥劑氯化鈣固體；
方案II：只測(cè)定分解生成的CO₂的質(zhì)量，連接方案是A→C→B→C，則B中的藥品是能吸收二氧化碳的堿石灰，最后連接的C中的藥品是防止空氣中二氧化碳進(jìn)入的氫氧化鈉溶液；
以上方式是利用水與二氧化碳的質(zhì)量對(duì)化學(xué)式進(jìn)行判斷，更簡(jiǎn)單的做法可采用加熱堿式碳酸鎂稱量反應(yīng)前后固體質(zhì)量的方式對(duì)化學(xué)式進(jìn)行判斷；
依據(jù)x=y+1利用水與二氧化碳的質(zhì)量可知氧化鎂的質(zhì)量為7.88g-0.36g-3.52g=4g則有：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y 的化學(xué)式可寫為 Mg_（y+1）（OH）₂（CO₃）_y，則依據(jù)鎂元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可列等式

4g× 24 16+24

7.88g

=

24×(y+1)

24×(y+1)+17×2+(12+16×3)y

解的y=4，則x=y+1=4+1=5，所以該物質(zhì)的化學(xué)式為Mg₅（OH）₂（CO₃）₄
故答案為：【I】OH^-；溫度；反應(yīng)速度；
【II】白色，

實(shí)驗(yàn)方案	實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象	實(shí)驗(yàn)結(jié)論
取樣于試管中滴加稀鹽酸	有氣泡冒出	證明有CO32-
取樣于試管，加熱	有水珠生成	證明有氫元素

【III】C；

實(shí)驗(yàn)方案	實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象	實(shí)驗(yàn)結(jié)論
稀硫酸	固體部分溶解	固體中含有氧化鎂
加熱	黑色固體全部溶解	固體中含有碳

【IV】無水硫酸銅；高錳酸鉀溶液；澄清石灰水；白色固體變藍(lán)；紫紅色褪去；澄清石灰水變渾濁
【V】檢查裝置的氣密性；堿石灰；防止空氣中的水蒸氣進(jìn)入裝置；K₁K₂；K₃；K₁K₂；K₃；Mg₄（OH）₂（CO₃）₃；
【VI】x=y+1；Mgx（OH）₂（CO₃）_y

△   .

xMgO+H₂O+yCO₂↑．濃硫酸；氯化鈣固體；堿石灰，氫氧化鈉溶液；可采用加熱堿式碳酸鎂稱量反應(yīng)前后固體質(zhì)量；
依據(jù)x=y+1利用水與二氧化碳的質(zhì)量可知氧化鎂的質(zhì)量為7.88g-0.36g-3.52g=4g則有：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y  的化學(xué)式可寫為  Mg_（y+1）（OH）₂（CO₃）_y，則依據(jù)鎂元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可列等式

4g× 24 16+24

7.88g

=

24×(y+1)

24×(y+1)+17×2+(12+16×3)y

解的y=4，則x=y+1=4+1=5，所以該物質(zhì)的化學(xué)式為Mg₅（OH）₂（CO₃）₄．

點(diǎn)評(píng)：本題通過提出問題、做出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了科學(xué)探究的一般過程．但本題計(jì)算量較大，要求學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握程度較高，是一道綜合性較強(qiáng)的題目的難題．