Question

 某化學課外興趣小組為探究銅跟濃硫酸的反應情況，用下圖所示裝置先進行了有關實驗：

  （1）B是用來收集實驗中產生的氣體的裝置，但未將導管畫全，請在圖上把導管補充完整。

  （2）實驗中他們取6．4g 銅片和12mL 18mol·L^-1濃硫酸放在圓底燒瓶中共熱，直到反應完畢，最后發現燒瓶中還有銅片剩余，該小組學生根據所學的化學知識認為還有一定量的硫酸剩余。

①寫出銅跟濃硫酸反應的化學方程式：____________________________________；

②為什么有一定量的余酸但未能使銅片完全溶解，你認為原因是________；

③下列藥品中能夠用來證明反應結束后的燒瓶中確有余酸的是：________（填寫編號）。

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

  （3）為定量測定余酸的物質的量濃度，甲、乙學生進行了如下設計：

①甲同學設計方案是：先測定銅與濃硫酸反應產生的SO₂的量，在計算余酸的物質的量濃度。他認為測定二氧化硫的量的方法有多種，請問下列實驗方案中可行的是_______（填寫編號）。

       A．將裝置A產生的氣體緩緩通過預先稱量過的盛有堿石灰的干燥管，結束反應后再次稱量

      B．將裝置A產生的氣體緩緩通入足量用稀硫酸酸化的高錳酸鉀溶液，再加入足量氯化鋇溶液，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀

       C．用排水法測定裝置A產生氣體的體積（已折算成標準狀況）

      D．將裝置A產生的氣體緩緩通入足量氫氧化鋇溶液，反應完全后，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀

E．將裝置A產生的氣體緩緩通入足量硝酸酸化的硝酸鋇溶液，反應完全后，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀

請你對不可行的方案進行分析（可以不填滿）：

方案序號	分析	誤差（偏低或偏高）	改變措施

②乙學生設計的方案是：在反應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，用標準氫氧化鈉溶液進行滴定（已知氫氧化銅開始沉淀的pH約為5），通過測出消耗氫氧化鈉溶液的體積來求余酸的物質的量濃度。假定反應前后燒瓶中溶液的體積不變，你認為乙學生設計的實驗方案能否求得余酸的物質的量濃度_______（填“能”或“不能”），其理由是_________________________________________________。

  （4）請再設計其他可行的實驗方案，來測定余酸的物質的量濃度，簡要寫出操作步驟及需要測定的數據（不必計算）_____________________________。

 

 

Answer 1

 解析：本題是源于教材實驗的原創題。理解實驗原理是解實驗題的關鍵：

  （1）用排空氣法收集二氧化硫，因為二氧化硫比空氣重，所以用向上排空氣法收集，即導管插入集氣瓶底部，將空氣從下至上排出。

  （2）銅與濃硫酸反應是一個進程反應，隨著反應進行，硫酸濃度降低，稀硫酸與銅不反應，所以無論銅是否過量，硫酸都不能完全反應；檢驗有硫酸剩余，加入試劑與硫酸反應有明顯現象即可，但是不能通過檢驗SO₄^2-來推斷，因為硫酸銅含有SO₄^2-，題示的四種物質中，A、D可以檢驗是否剩余硫酸。

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

    ②乙方案通過中和滴定測定剩余硫酸，甲基橙變色范圍內氫氧化銅不沉淀，但是，甲基橙由紅色變成橙色時，銅離子溶液呈藍色干擾了對指示終點的觀察（易錯點�。�，所以不能測定。注意：不能用中和滴定的方法測定剩余硫酸溶液濃度。

  （4）這是本題的最大亮點：開放思維。反應前硫酸和銅的量都已知，反應后混合物中有銅、稀硫酸、硫酸銅。設計思路：①測銅質量；②測硫酸根離子的總量；③測稀硫酸質量等都可以達到實驗目的。其中，測剩余銅的質量最簡便。

    答案：（1）如圖所示。

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

    ②隨著反應進行，硫酸被消耗，產物有水生成，所以濃硫酸變成稀硫酸，反應會停止。

    ③AD（1分）

  （3）①E    （1分）

 

方案序號	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，測得二氧化硫質量增大	偏低	A產生的氣體先經濃硫酸干燥，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重過程中部分被氧化生成硫酸鋇，產生固體質量增大	偏低	先將二氧化硫用強氧化劑如溴水氧化，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，氫氧化銅開始沉淀時的pH為5，在指示劑變色范圍之外，即中和酸時，銅離子不會消耗OH^-，但是甲基橙由紅色變成橙色、黃色時，銅離子溶液呈藍色，對觀察指示終點顏色有干擾（1分）

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

    方案二：①取反應后溶液，向其中加入過量的氫氧化鈉溶液，至氫氧化銅完全沉淀；②過濾、洗滌、（低溫）干燥、稱量至恒重；③根據氫氧化銅的量計算出已反應的硫酸的量，進而計算剩余硫酸溶液濃度。

    方案三：反應結束后將燒瓶中的銅片取出，洗凈、烘干，稱其質量即可。

    方案四：反應結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，過濾出沉淀，洗凈、干燥后稱量。

    評注：銅與濃硫酸反應實驗是教材中演示實驗和學生實驗，高考對本實驗沒有考查過，因此，對本實驗改進與創新設計具有重要意義。解這類綜合實驗題，一要理解實驗目的和原理，如測定反應后剩余硫酸的量；二要根據實驗目的和原理，會設計多種方案，如測二氧化硫、剩余銅、已反應的銅、直接測定剩余硫酸、測定反應總硫酸根離子的量等，而測二氧化硫又有多種方法，從中找到最佳方案；三要靈活運用物質的性質，挖掘隱蔽信息，提高思維質量，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；四要注意實驗限制，設計實驗方案有一些限制條件，思考時一定要結合限制條件，明確哪些方案不能考慮，如本實驗中銅和硫酸量都已知，硫酸銅溶液呈藍色，對觀察中和滴定反應的終點變色有影響，不能再設計中和滴定實驗方案，對中和滴定實驗提出了新要求。

    易錯點：（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，通過檢驗SO₄^2-確認剩余硫酸的存在。

    設計綜合實驗的思維方法是：理解原理→明確目的→綜合分析→比較選擇→創新設計。