Question

19．Fe、Cu都是人類較早使用的金屬，某校化學研究性學習小組的同學運用實驗的手段研究Fe、Cu以及化合物的相關性質．請你參與研究并回答下列問題：
（1）甲同學取一束細銅絲用砂紙打磨后在酒精燈上加熱至紅熱，再伸到Cl₂的集氣瓶中．你認為甲同學在實驗中應該觀察到的現象是Cu能在Cl₂中燃燒，產生棕黃色的煙．
（2）乙同學為驗證Fe在冷的濃HNO₃中發生鈍化但能和熱的濃HNO₃反應，設計了如圖1、2所示的實驗，請你指出其中的兩處錯誤：兩只試管中的液體均超過試管容積的$\frac{1}{3}$、加熱液體的試管不與桌面成45°角向上傾斜；；糾正上述錯誤后，請你從綠色化學的角度出發，對圖2裝置提出改進建議，使裝置既能控制反應的進行，又能減少氮氧化物的排放：將裝置2中的鐵片改成一段為螺旋狀的鐵絲，螺旋狀的一端深入硝酸中，另一端伸出橡膠塞．
（3）丙同學在Fe和濃HNO₃反應后的溶液中加入一塊Cu片，Cu片逐漸溶解，反應一段時間后不再溶解（Cu有剩余）．
①丙同學依據反應現象得出Cu片溶解的原因是和HNO₃發生反應．他依據的反應現象是試管上部出現紅棕色氣體．
②丁同學認為丙同學的結論不完全正確．他的理由是Fe和硝酸反應后的溶液中可能有HNO₃，但也一定有Fe³⁺，Fe³⁺也能和Cu反應而使Cu片溶解．
（4）請你設計實驗證明在加入Cu片并反應完全后的溶液中含有Fe²⁺但不含有Fe³⁺．說明具體的操作和實驗現象取適量反應后的溶液放入試管中，加入KSCN溶液無明顯現象，再加入少量氯水，溶液變紅則證明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺．

Answer 1

分析 （1）根據銅及氧氣、氯氣的性質分析；
（2）根據實驗時，取用液體的體積及加熱液體的注意事項分析；根據實驗是否容易控制及反應產物量的多少分析；
（3）①根據二氧化氮的性質分析，二氧化氮能和水反應生成硝酸，當溶液中硝酸過量時，二氧化氮會剩余，氣體呈紅棕色；
②硝酸過量時，鐵和硝酸反應生成三價鐵，根據三價鐵的性質分析；
（4）先根據Fe³⁺的特征反應，加入硫氰酸鉀溶液判斷溶液不含Fe³⁺，然后加入氧化劑，如果含有Fe²⁺，Fe²⁺被氧化劑氧化成Fe³⁺溶液變成紅色，以此證明Fe²⁺的存在．

解答 解：（1）銅在氧氣中不燃燒，在氯氣中能燃燒產生棕黃色煙，
故答案為：Cu能在Cl₂中燃燒，產生棕黃色的煙；
（2）加熱液體時，試管內的液體超過試管的三分之一，超過三分之一時，加熱過程中容易產生暴沸，造成安全事故；加熱液體的試管不與桌面成45°角向上傾斜，不能豎直向上；改進后的銅絲容易抽拉，即容易控制反應的進行，從而減少氮氧化物的排放，將裝置2中的鐵片改成一段為螺旋狀的鐵絲，螺旋狀的一端深入硝酸中，另一端伸出橡膠塞，既能控制反應的進行又能減少氮氧化物的排放；
故答案為：兩只試管中的液體均超過試管容積的$\frac{1}{3}$；加熱液體的試管不與桌面成45°角向上傾斜；將裝置2中的鐵片改成一段為螺旋狀的鐵絲，螺旋狀的一端深入硝酸中，另一端伸出橡膠塞；
（3）①二氧化氮能和水反應生成硝酸和一氧化氮，當溶液中硝酸過量時，抑制二氧化氮的溶解，所以可看到氣體呈紅棕色，
故答案為：試管上部出現紅棕色氣體；
②硝酸過量時，鐵和硝酸反應生成三價鐵，三價鐵和銅能反應生成二價鐵離子和銅離子，從而使銅片溶解，發生反應為2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺，
故答案為：Fe和硝酸反應后的溶液中可能有HNO₃，但也一定有Fe³⁺，Fe³⁺也能和Cu反應而使Cu片溶解；
（4）取適量反應后的溶液放入試管中，加入KSCN溶液無明顯現象，再加入少量氯水，溶液變紅則證明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺，
故答案為：取適量反應后的溶液放入試管中，加入KSCN溶液無明顯現象，再加入少量氯水，溶液變紅則證明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺．
故答案為：2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺．

點評 本題考查了常見金屬銅和鐵的化學性質，實驗基本操作，難度不大，寫三價鐵離子和銅反應的離子方程式時要注意電荷守恒，離子檢驗時注意氧化劑、KSCN溶液的順序不能顛倒．