Question

8．某校化學課外研究小組為研究濃硫酸與金屬M 反應的氣體生成物，進行了下列實驗活動：
【提出假設】
假設1：氣體生成物只有SO₂；
假設2：氣體生成物只有H₂；
假設3：氣體生成物是SO₂和H₂的混合氣體．
【實驗驗證】
實驗裝置及實驗中使用的試劑如圖：
 
（1）在裝入藥品前，甲同學檢查裝置A的氣密性，方法是關閉彈簧夾K1，打開分液漏斗活塞，向分液漏斗中注入適量水，若分液漏斗滴下水的速度逐漸變慢，直至停止，則證明裝置A的氣密性良好．
（2）乙同學通過所學知識排除了上面提出的一個假設，他排除的是假設2，理由是濃硫酸具有強氧化性，在加熱的條件下能被金屬還原為SO₂．
（3）如果實驗中觀察到裝置B 中溶液褪色，裝置F 和裝置G 中無明顯變化，則假設1成立，實驗測得消耗金屬M 和濃硫酸的物質的量之比為1：2，則在M的硫酸鹽中，M元素的化合價為+2
（4）如果假設3正確，填寫下表中的實驗現象：

裝置	B	F	G
實驗現象

（5）裝置C的作用是除去可能未反應完的SO₂，裝置D 的作用是檢驗SO₂是否已除凈．
（6）如果裝置A中放入的金屬M 的質量為11.2g，加入適量濃硫酸，反應完成后，裝置B 中溶液褪色，裝置A 中金屬無剩余；反應后G的質量增加了0.9g；取少量裝置A 中溶液稀釋，分為兩份，一份滴加KSCN 溶液，溶液變紅色，另一份滴加酸性KMnO₄ 溶液，溶液褪色．如果裝置A中溶液內的金屬離子濃度相等，則裝置A 中燒瓶內發生反應的總化學方程式是4Fe+9H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4SO₂↑+H₂↑+8H₂O．

Answer 1

分析 【提出假設】依據金屬和濃硫酸反應過程分析，金屬與濃硫酸反應，開始生成的是二氧化硫，如果金屬過量，濃硫酸變成稀硫酸后，如果金屬較活潑，則可能還生成氫氣，隨濃硫酸溶液濃度減小，金屬和硫酸反應生成的氣體為二氧化硫、氫氣或二者混合物；
【實驗驗證】裝置A是氣體發生裝置，濃硫酸和金屬M加熱反應生成的氣體開始為二氧化硫氣體，金屬過濾隨濃硫酸反應濃度減小，變為稀硫酸和金屬反應生成氫氣，氣體通過裝置B中的品紅溶液，品紅褪色，通過裝置C中的高錳酸鉀溶液除去生成的二氧化硫，再通過裝置D中 的品紅溶液檢查二氧化硫是否除凈，通過裝置E濃硫酸干燥氣體，通過裝置F中的氧化銅，氫氣還原氧化銅生成金屬銅，生成的水蒸氣遇到無水硫酸銅，現象為黑色變紅色，H是避免空氣中的水蒸氣進入裝置F干擾實驗現象，
（1）檢查裝置氣密性需要密閉裝置，水封，然后改變裝置內壓強，觀察液面的變化設計；
（2）濃硫酸和金屬加熱反應開始一定生成二氧化硫氣體；
（3）如果實驗中觀察到裝置B 中溶液褪色，裝置F 和裝置G 中無明顯變化，說明無氫氣生成，氣體為二氧化硫，結合元素化合價升高和降低即電子守恒計算金屬的化合價；
（4）若生成的氣體為二氧化硫和氫氣，則裝置中的反應現象為，二氧化硫通過裝置B 中溶液褪色，氫氣通過裝置F出現黑色變為紅色，生成的水蒸氣通過裝置G中白色變化為藍色；
（5）裝置C是利用二氧化硫的還原性被高錳酸鉀溶液氧化除去，裝置D中的品紅溶液是檢驗二氧化硫是否除凈；
（6）根據反應現象判斷M為鐵，然后根據題中數據計算出鐵離子、亞鐵離子的物質的量，然后根據質量守恒定律、電子守恒分別計算出生成氫氣、二氧化硫物質的量，最后寫出反應的化學方程式．

解答 解：【提出假設】假設1：氣體生成物只有SO₂；
假設2：氣體生成物只有H₂；
推斷當金屬過量時，且金屬較活潑則生成的氣體中可能含有氫氣，所以假設3為：氣體產物有SO₂和H₂ ，
故答案為：氣體生成物是SO₂和H₂的混合氣體；
【實驗驗證】（1）在裝入藥品前，甲同學檢查裝置A的氣密性需要密閉裝置A，利用分液漏斗中加入水，觀察液面變化，設計方法為：關閉彈簧夾K1，打開分液漏斗活塞，向分液漏斗中注入適量水，若分液漏斗滴下水的速度逐漸變慢，直至停止，則證明裝置A 的氣密性良好，
故答案為：關閉彈簧夾K1，打開分液漏斗活塞，向分液漏斗中注入適量水，若分液漏斗滴下水的速度逐漸變慢，直至停止，則證明裝置A 的氣密性良好；
（2）濃硫酸的性質可知，和金屬加熱條件下發生反應開始生成二氧化硫氣體，當金屬過量時，且金屬較活潑則生成的氣體中可能含有氫氣，假設2一定是錯誤的，
故答案為：2，濃硫酸具有強氧化性，在加熱的條件下能被金屬還原為SO₂；
（3）如果實驗中觀察到裝置B 中溶液褪色，裝置F 和裝置G 中無明顯變化，說明無氫氣生成，氣體為二氧化硫，猜想1正確，實驗測得消耗金屬M 和濃硫酸的物質的量之比為1：2，則在M的硫酸鹽中，M元素的化合價結合元素化合價升高和降低即電子守恒計算得到，設金屬元素化合價變化為x，
2M+4H₂SO₄=M₂（SO₄）_x+（4-x）SO₂+4H₂O
則依據電子守恒2×（x-0）=（4-x）×（6-4）；
x=+2
故答案為：1，+2；
（4）若生成的氣體為二氧化硫和氫氣，則裝置中的反應現象為：二氧化硫具有漂白性通過裝置B中品紅溶液褪色，氫氣通過裝置F還原氧化銅為金屬銅，出現黑色變為紅色現象，生成的水蒸氣通過裝置G，無水硫酸銅白色變化為藍色；
故答案為：品紅溶液紅色褪去黑色固體變成紅色無水硫酸銅變藍；
（5）為檢驗二氧化硫的存在和避免二氧化硫對后續實驗的影響，通過裝置C是利用二氧化硫的還原性被高錳酸鉀溶液氧化除去，裝置D中的品紅溶液是檢驗二氧化硫是否除凈，
故答案為：除去可能未反應完的SO₂，檢驗SO₂是否已除凈；
（6）向甲試管里滴加KSCN溶液，溶液變紅色，說明金屬M為Fe；G增重0.9g，0.9g為水的質量，則氫氣的物質的量為：n（H₂）=n（H₂O）=$\frac{0.9g}{18g/mol}$=0.05mol；1.2g鐵的物質的量為：n（Fe）=$\frac{11.2g}{56g/mol}$=0.2mol；向乙試管里滴加酸性高錳酸鉀溶液，振蕩，溶液紫色褪去，說明溶液中含有亞鐵離子，燒瓶溶液中金屬離子濃度相等，則鐵離子和亞鐵離子的物質的量相等，n（Fe²⁺）=n（Fe³⁺）=0.1mol，根據電子守恒，生成二氧化硫的物質的量為：n（SO₂）=$\frac{0.1mol×2+0.1mol×3-0.05mol×2}{2}$=0.20mol，鐵與硫酸反應的化學方程式為：4Fe+9H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4SO₂↑+H₂↑+8H₂O，
故答案為：4Fe+9H₂SO₄（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4SO₂↑+H₂↑+8H₂O．

點評 本題考查了濃硫酸的化學性質、氧化還原反應的計算、化學方程式的書寫等知識，題目難度較大，試題涉及的知識點較大，題量較大，充分考查了學生對所學知識的掌握情況，注意明確濃硫酸的化學性質及濃硫酸與金屬反應的原理．