Question

10．某研究性學習小組對Cu與H₂SO₄反應的產物種類和性質進行探究．
Ⅰ．產物種類探究
在銅與濃硫酸反應的過程中，發現有黑色物質出現，經查閱文獻獲得下列資料．
資料1：X射線晶體分析表明，銅與濃硫酸反應生成的黑色物質為中的一種或兩種．
資料2：

硫酸/mol•L-1	黑色物質出現的溫度/°C	黑色物質消失的溫度/°C
15	約150	約236
16	約140	約250
18	約120	不消失

（1）由上述資料2可得出的正確結論是abd（選填下列字母編號）
a．銅與濃硫酸反應時所涉及的反應可能不止一個
b．硫酸濃度選擇適當，可避免最后產物中出現黑色物質
c．該反應發生的條件之一是硫酸濃度＞15mol•L^-1
d．硫酸濃度越大，黑色物質出現越快，越難消失
（2）Cu與足量16mol•L^-1濃硫酸反應時，在80°C以后，隨著溫度的逐漸升高，反應中硫酸銅的生成逐漸增加，而CuS卻逐漸減少，到達250°C左右時，CuS在反應中完全消失的澄清溶液，CuS消失的化學方程式為CuS+4H₂SO₄=CuSO₄+4SO₂↑+4H₂O．
Ⅱ．產物性質探究
Cu與濃H₂SO₄反應生成的CuSO₄具有某些特定性質，一定濃度CuSO₄溶液與NaHCO₃溶液反應后生成藍綠色顆粒狀沉淀，沉淀可能是CuCO₃，Cu（OH）₂，或者CuCO₃與Cu（OH）₂的混合物．
（1）若沉淀是Cu（OH）₂，生成沉淀的離子方程式是Cu²⁺+2HCO₃^-=Cu （OH）₂↓+2CO₂↑．
（2）為了進一步探究沉淀的成分，設計的實驗裝置如圖：
實驗操作步驟為
a．取沉淀樣品100克于B中，檢查裝置的氣密性
b．打開K₁，K₃，關閉K₂，K₄，通入足量空氣
c．關閉K₁，K₃，打開K₂，K₄，充分反應
d．反應結束后，關閉K₂，打開K₁，再通入足量空氣
e．測得裝置D的質量增加了22g
①步驟b的作用是排盡裝置中空氣中的CO₂使測定結果準確
②若沉淀樣品為CuCO₃和Cu（OH）₂的混合物，則Cu（OH）₂的質量分數為38%，若不進行步驟d，則會使測得Cu（OH）₂的質量分數為偏低（填“偏高”“無影響”“偏低”）

Answer 1

分析 Ⅰ、（1）圖表數據分析銅和濃硫酸反應過程中會生成黑色物質證明有副反應，濃度合適會避免黑色固體出現，濃度越大，溫度越高黑色越難消失；
（2）CuS消失是和濃硫酸反應生成硫酸銅、二氧化硫和水；
Ⅱ、（1）沉淀為氫氧化銅的是碳酸氫鈉和硫酸銅在水溶液中發生雙水解生成分析；
（2）①空氣中含有二氧化碳，空氣通過氫氧化鈉溶液吸收空氣中的二氧化碳，利用除去二氧化碳的空氣，打開K₁、K₃，關閉K₂、K₄，排除裝置中的含二氧化碳氣體的空氣，避免測定誤差的產生；
②若沉淀樣品的質量為m g，若沉淀樣品為純凈物，則判斷沉淀為CuCO₃，裝置D的質量增加了n g，為二氧化碳氣體質量，依據碳元素守恒得到mn的關系；若假設三正確，依據生成的二氧化碳物質的量減少碳酸銅質量，根據樣品質量計算得到氫氧化銅的質量分數．

解答 解：Ⅰ、（1）依據圖表數據分析可知，濃度不同時出現黑色物質的時間隨濃度增大減小，濃度為18mol/L時生成的黑色物質不能消失；
a．分析過程可知．發生的反應過程中生成二氧化硫和硫酸銅的反應過程中有奇談反應發生生成黑色物質，銅與濃硫酸反應時所涉及的反應可能不止一個，故A符合；
b．圖表數據分析可知硫酸濃度選擇適當，可避免最后產物中出現黑色物質，故B符合；
c．濃硫酸和銅的反應濃度小于15mol/L也可能出現黑色物質，出現的時間長，該反應發生的條件不一定是硫酸濃度≥15mol•L^-1，故C不符合；
d．圖表數據中，18mol/L的濃硫酸，出現褐色物質的時間短，黑色物質難以消失，所以硫酸濃度越大，黑色物質越快出現、越難消失，故d符合；
故答案為：abd；
（2）CuS消失是和濃硫酸反應生成硫酸銅、二氧化硫和水，反應的化學方程式為：CuS+4H₂SO₄=CuSO₄+4SO₂↑+4H₂O，
故答案為：CuS+4H₂SO₄=CuSO₄+4SO₂↑+4H₂O；
Ⅱ、（1）沉淀為氫氧化銅的判斷依據是碳酸氫鈉和硫酸銅在水溶液中發生雙水解生成，反應的離子方程式為Cu²⁺+2HCO₃^-=Cu （OH）₂↓+2CO₂↑，
故答案為：Cu²⁺+2HCO₃^-=Cu （OH）₂↓+2CO₂↑；
（2）①空氣中含有二氧化碳，空氣通過氫氧化鈉溶液吸收空氣中的二氧化碳，利用除去二氧化碳的空氣，打開K₁、K₃，關閉K₂、K₄，排除裝置中的含二氧化碳氣體的空氣，避免測定誤差的產生；
故答案為：排盡裝置中空氣中的CO₂使測定結果準確；
②若沉淀樣品的質量為100g，若沉淀樣品為CuCO₃和Cu（OH）₂的混合物，依據生成的二氧化碳物質的量計算減少碳酸銅質量，根據樣品質量計算得到氫氧化銅的質量分數=$\frac{100g-\frac{22g}{44g/mol}×124g/mol}{100g}$×100%=38%，若不進行步驟C，生成的二氧化碳氣體中含有水蒸氣，被裝置D吸收后稱量得到二氧化碳質量增大，計算得到碳酸銅質量增大，氫氧化銅的質量減小，則會使測得結果質量分數偏低，
故答案為：38%；偏低．

點評 本題考查了物質組成和性質的分析判斷，實驗過程分析，沉淀生成的原理，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．