Question

 某化學(xué)課外興趣小組為探究銅跟濃硫酸的反應(yīng)情況，用下圖所示裝置先進(jìn)行了有關(guān)實(shí)驗(yàn)：

  （1）B是用來(lái)收集實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體的裝置，但未將導(dǎo)管畫(huà)全，請(qǐng)?jiān)趫D上把導(dǎo)管補(bǔ)充完整。

  （2）實(shí)驗(yàn)中他們?nèi)?．4g 銅片和12mL 18mol·L^-1濃硫酸放在圓底燒瓶中共熱，直到反應(yīng)完畢，最后發(fā)現(xiàn)燒瓶中還有銅片剩余，該小組學(xué)生根據(jù)所學(xué)的化學(xué)知識(shí)認(rèn)為還有一定量的硫酸剩余。

①寫(xiě)出銅跟濃硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：____________________________________；

②為什么有一定量的余酸但未能使銅片完全溶解，你認(rèn)為原因是________；

③下列藥品中能夠用來(lái)證明反應(yīng)結(jié)束后的燒瓶中確有余酸的是：________（填寫(xiě)編號(hào)）。

       A．鐵粉        B．氯化鋇溶液      C．銀粉         D．碳酸氫鈉溶液

  （3）為定量測(cè)定余酸的物質(zhì)的量濃度，甲、乙學(xué)生進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)：

①甲同學(xué)設(shè)計(jì)方案是：先測(cè)定銅與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)生的SO₂的量，在計(jì)算余酸的物質(zhì)的量濃度。他認(rèn)為測(cè)定二氧化硫的量的方法有多種，請(qǐng)問(wèn)下列實(shí)驗(yàn)方案中可行的是_______（填寫(xiě)編號(hào)）。

       A．將裝置A產(chǎn)生的氣體緩緩?fù)ㄟ^(guò)預(yù)先稱(chēng)量過(guò)的盛有堿石灰的干燥管，結(jié)束反應(yīng)后再次稱(chēng)量

      B．將裝置A產(chǎn)生的氣體緩緩?fù)ㄈ胱懔坑孟×蛩崴峄�的高錳酸鉀溶液，再加入足量氯化鋇溶液，過(guò)濾、洗滌、干燥、稱(chēng)量沉淀

       C．用排水法測(cè)定裝置A產(chǎn)生氣體的體積（已折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況）

      D．將裝置A產(chǎn)生的氣體緩緩?fù)ㄈ胱懔繗溲趸�鋇溶液，反應(yīng)完全后，過(guò)濾、洗滌、干燥、稱(chēng)量沉淀

E．將裝置A產(chǎn)生的氣體緩緩?fù)ㄈ胱懔肯跛崴峄�的硝酸鋇溶液，反應(yīng)完全后，過(guò)濾、洗滌、干燥、稱(chēng)量沉淀

請(qǐng)你對(duì)不可行的方案進(jìn)行分析（可以不填滿）：

方案序號(hào)	分析	誤差（偏低或偏高）	改變措施

②乙學(xué)生設(shè)計(jì)的方案是：在反應(yīng)后的溶液中加蒸餾水稀釋至1000mL，取20mL與錐形瓶中，滴入2~3滴甲基橙指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)氫氧化鈉溶液進(jìn)行滴定（已知?dú)溲趸�銅開(kāi)始沉淀的pH約為5），通過(guò)測(cè)出消耗氫氧化鈉溶液的體積來(lái)求余酸的物質(zhì)的量濃度。假定反應(yīng)前后燒瓶中溶液的體積不變，你認(rèn)為乙學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案能否求得余酸的物質(zhì)的量濃度_______（填“能”或“不能”），其理由是_________________________________________________。

  （4）請(qǐng)?jiān)僭O(shè)計(jì)其他可行的實(shí)驗(yàn)方案，來(lái)測(cè)定余酸的物質(zhì)的量濃度，簡(jiǎn)要寫(xiě)出操作步驟及需要測(cè)定的數(shù)據(jù)（不必計(jì)算）_____________________________。

 

 

Answer 1

 解析：本題是源于教材實(shí)驗(yàn)的原創(chuàng)題。理解實(shí)驗(yàn)原理是解實(shí)驗(yàn)題的關(guān)鍵：

  （1）用排空氣法收集二氧化硫，因?yàn)槎�氧化硫比空氣重，所以用向上排空氣法收集，即�?dǎo)管插入集氣瓶底部，將空氣從下至上排出。

  （2）銅與濃硫酸反應(yīng)是一個(gè)進(jìn)程反應(yīng)，隨著反應(yīng)進(jìn)行，硫酸濃度降低，稀硫酸與銅不反應(yīng)，所以無(wú)論銅是否過(guò)量，硫酸都不能完全反應(yīng)；檢驗(yàn)有硫酸剩余，加入試劑與硫酸反應(yīng)有明顯現(xiàn)象即可，但是不能通過(guò)檢驗(yàn)SO₄^2-來(lái)推斷，因?yàn)榱蛩徙~含有SO₄^2-，題示的四種物質(zhì)中，A、D可以檢驗(yàn)是否剩余硫酸。

  （3）①測(cè)定二氧化硫體積必須防止其他因素干擾，否則實(shí)驗(yàn)誤差太大。A中堿石灰吸收二氧化硫和水，所以稱(chēng)得凈增堿石灰質(zhì)量大于產(chǎn)生的二氧化硫質(zhì)量；B中加入用稀硫酸酸化的高錳酸鉀溶液，其中的H₂SO₄也與氯化鋇反應(yīng)生成沉淀，導(dǎo)致沉淀質(zhì)量增大；C中二氧化硫部分溶于水，亞硫酸酸性較碳酸強(qiáng)。SO₂ + H₂O== H₂SO₃，收集到的二氧化硫體積比實(shí)際的少。D中SO₂ + Ba（OH）₂ == BaSO₃↓+ H₂O，2BaSO₃ + O₂== 2BaSO₄ ，所以測(cè)得質(zhì)量增大，測(cè)得剩余硫酸量偏低。

    ②乙方案通過(guò)中和滴定測(cè)定剩余硫酸，甲基橙變色范圍內(nèi)氫氧化銅不沉淀，但是，甲基橙由紅色變成橙色時(shí)，銅離子溶液呈藍(lán)色干擾了對(duì)指示終點(diǎn)的觀察（易錯(cuò)點(diǎn)�。�，所以不能測(cè)定。注意：不能用中和滴定的方法測(cè)定剩余硫酸溶液濃度。

  （4）這是本題的最大亮點(diǎn)：開(kāi)放思維。反應(yīng)前硫酸和銅的量都已知，反應(yīng)后混合物中有銅、稀硫酸、硫酸銅。設(shè)計(jì)思路：①測(cè)銅質(zhì)量；②測(cè)硫酸根離子的總量；③測(cè)稀硫酸質(zhì)量等都可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康�。其中，測(cè)剩余銅的質(zhì)量最簡(jiǎn)便。

    答案：（1）如圖所示。

  （2）①Cu + 2H₂SO₄（濃） CuSO₄ + SO₂↑+ 2H₂O（1分）

    ②隨著反應(yīng)進(jìn)行，硫酸被消耗，產(chǎn)物有水生成，所以濃硫酸變成稀硫酸，反應(yīng)會(huì)停止。

    ③AD（1分）

  （3）①E    （1分）

 

方案序號(hào)	分析	誤差（偏低或偏高）	改變措施
A	堿石灰除吸收二氧化硫外還能吸收水，測(cè)得二氧化硫質(zhì)量增大	偏低	A產(chǎn)生的氣體先經(jīng)濃硫酸干燥，后用堿石灰吸收
B	高錳酸鉀溶液中含有硫酸，與氯化鋇反應(yīng)生成沉淀增大	偏低	將硫酸酸化的高錳酸鉀溶液換成溴水或碘水或硝酸溶液
C	二氧化硫在水中以1∶40溶解，收集二氧化硫體積減少	偏高	將水換成四氯化碳、煤油等非極性溶劑
D	亞硫酸鋇在空氣中烘干及稱(chēng)重過(guò)程中部分被氧化生成硫酸鋇，產(chǎn)生固體質(zhì)量增大	偏低	先將二氧化硫用強(qiáng)氧化劑如溴水氧化，再加入足量的氯化鋇溶液或氫氧化鋇溶液

    （以上表格中每一個(gè)方案1分，共4分）

    ②不能（1分）  雖然甲基橙變色范圍：pH為3．1~4．4，氫氧化銅開(kāi)始沉淀時(shí)的pH為5，在指示劑變色范圍之外，即中和酸時(shí)，銅離子不會(huì)消耗OH^-，但是甲基橙由紅色變成橙色、黃色時(shí)，銅離子溶液呈藍(lán)色，對(duì)觀察指示終點(diǎn)顏色有干擾（1分）

  （4）方案一：①取反應(yīng)后溶液，向其中加入足量鋅；②收集并測(cè)定氫氣的體積；③通過(guò)氫氣量計(jì)算剩余硫酸的物質(zhì)的量濃度。

    方案二：①取反應(yīng)后溶液，向其中加入過(guò)量的氫氧化鈉溶液，至氫氧化銅完全沉淀；②過(guò)濾、洗滌、（低溫）干燥、稱(chēng)量至恒重；③根據(jù)氫氧化銅的量計(jì)算出已反應(yīng)的硫酸的量，進(jìn)而計(jì)算剩余硫酸溶液濃度。

    方案三：反應(yīng)結(jié)束后將燒瓶中的銅片取出，洗凈、烘干，稱(chēng)其質(zhì)量即可。

    方案四：反應(yīng)結(jié)束后將燒瓶中的銅片取出，然后向溶液中加入足量氯化鋇溶液，過(guò)濾出沉淀，洗凈、干燥后稱(chēng)量。

    評(píng)注：銅與濃硫酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是教材中演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，高考對(duì)本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有考查過(guò)，因此，對(duì)本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有重要意義。解這類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)題，一要理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮�理，如測(cè)定反應(yīng)后剩余硫酸的量；二要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮�理，�?huì)設(shè)計(jì)多種方案，如測(cè)二氧化硫、剩余銅、已反應(yīng)的銅、直接測(cè)定剩余硫酸、測(cè)定反應(yīng)總硫酸根離子的量等，而測(cè)二氧化硫又有多種方法，從中找到最佳方案；三要靈活運(yùn)用物質(zhì)的性質(zhì)，挖掘隱蔽信息，提高思維質(zhì)量，如二氧化硫的水溶性、堿石灰吸水性、銅離子的顏色干擾性，指示劑選擇等，都屬于隱性信息；四要注意實(shí)驗(yàn)限制，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案有一些限制條件，思考時(shí)一定要結(jié)合限制條件，明確哪些方案不能考慮，如本實(shí)驗(yàn)中銅和硫酸量都已知，硫酸銅溶液呈藍(lán)色，對(duì)觀察中和滴定反應(yīng)的終點(diǎn)變色有影響，不能再設(shè)計(jì)中和滴定實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)中和滴定實(shí)驗(yàn)提出了新要求。

    易錯(cuò)點(diǎn)：（1）忽視硫酸銅溶液顏色覆蓋甲基橙變色；

  （2）忽視硫酸銅中含SO₄^2-的干擾，通過(guò)檢驗(yàn)SO₄^2-確認(rèn)剩余硫酸的存在。

    設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)的思維方法是：理解原理→明確目的→綜合分析→比較選擇→創(chuàng)新設(shè)計(jì)。