题目内容

小王同学对化学充满了兴趣，喜欢做各种实验．有一次他和其它同学对镁进行了一些研究：
【Ⅰ】他们用砂纸打磨掉表面灰黑色的物质，将其放入水中，未看到有明显的现象，改用酒精灯加热后，观察到表面有大量气泡，经验是氢气．他们又向溶液中滴加无色酚酞试液，发现酚酞变成红色，说明有产生．该实验表明化学反应的发生和速率与有关，许多物质的随温度的升高而增大．
【Ⅱ】该小组成员开始研究镁带表面的灰黑色物质，小王大胆提出了三个假设：
假设1该物质是MgO；假设2该物质是Mg（OH）₂；假设3镁可能会象铜一样生成碱式碳酸镁．
但其它同这立即否定了他的假设1和2，因为根据所学的知识MgO，Mg（OH）₂都是色固体．对于假设3，他们设计了如下方案
实验方案实验现象实验结论
证明有CO₃^2-
取样于试管，加热证明有氢元素
【III】他们在取镁带表面灰黑色样品时感到比较困难，索性将表面发黑的镁带全部磨成粉末，放入干燥的硬质试管中加热，一段时间后，镁粉突然出现红热燃烧起来，反应停止后有少量黑色物质A粘在试管壁上，这黑色物质A中混有什么？他们查资料筛选出几条有价值的信息：
（1）2Mg+CO₂=2MgO+C；（2）C+2H₂SO₄（浓）=CO₂↑+SO₂↑+H₂O；（3）SO₂+Ca（OH）₂=CaSO₃↓（白）+H₂O．
试分析A物质为，根据上述信息，他们又设计了下列实验，帮助他们完成实验报告：
实验方案实验现象实验结论
取反应后试管内样品，先滴加过量的固体部分溶解
再（填一具体的实验操作）黑色固体全部溶解
【Ⅳ】为验证碳和浓硫酸反应的三种产物，应将气体通过下列三种试剂（假设每步均完全）即：
气体→→→；
（现象依次为）、、
【V】该兴趣小组的同学进一步又查出胃药碱式碳酸镁有多种不同的组成，如Mg₂（OH）₂CO₃、Mg₄（OH）₂（CO₃）₃、Mg₅（OH）₂（CO₃）₄等．小红同学为确定碱式碳酸镁的组成，设计如图所示的实验：

实验步骤（1）按图组装置后，首先进行的操作是．E处干燥管内盛放的药品是，其作用是．
实验步骤（2）称取样品31g，并将其放入硬质玻璃管中，称量装浓硫酸的洗气瓶C的质量为87.6g，装碱石灰的U型管D的质量为74.7g．
实验步骤（3）打开活塞，关闭，缓慢鼓入空气数分钟．
实验步骤（4）关闭活塞，打开，点燃酒精灯加热至不再产生气体为止．
实验步骤（5）打开活塞K1，缓缓鼓入空气数分钟，然后拆下装置，称得洗气瓶C的质量为89.4g，U型管D的质量为87.9g，则该碱式碳酸镁的化学式为．
【Ⅵ】小明认为其化学式可用Mgx（OH）₂（CO₃）y表示，根据化合价规律，x和y的关系是，写出该物质分解的方程式：
小明设计了两套方案（忽略装置中原来的气体）
方案I：只测定分解后生成的水，连接方案是A→C→B，则C中盛放的药品是，B中盛放的药品是
方案II：只测定分解生成的CO₂的质量，连接方案是A→C→B→C，则B中的药品是，最后连接的C中的药品是
请你设计出更简单的实验方法．

若取样品7.88克，方案I测得生成水0.36g，方案II测得生成CO₂ 3.52g，请你选择实验数据，通过计算得出碱式碳酸镁的化学式．

解：【I】依据叙述的信息中加热前后反应的情况可知该反应的速度与温度有关，滴加酚酞溶液变红说明溶液呈碱性，说明该反应生成了氢氧根；
【II】由所学可知氧化镁氢氧化镁均是白色固体，所以灰黑色固体一定不是这两者，要想证明溶液中含有碳酸根离子可对该物质加稀盐酸进行检验，如果加入盐酸有气泡生成则证明含有碳酸根，如果固体加热时生成水珠，则证明固体中含有氢元素；
【III】根据题干中提供的相关反应以及物质的性质可知，该黑色物质只能是碳，由于所列物质中只有氧化镁能与稀硫酸反应而溶解，所以加入稀硫酸固体部分溶解，能证明固体中含有氧化镁；加热后稀硫酸转化成了浓硫酸，碳能与之反应，所以黑色固体全部溶解，证明固体中含有碳；
【IV】检验C+2H₂SO₄（浓）=CO₂↑+SO₂↑+H₂O反应的三种产物时首先应该检验水的存在，采用无水硫酸铜即可，因为无水硫酸铜遇水会变蓝，而后检验二氧化硫的存在，由于二氧化硫具有漂白的作用，所以可使气体通过紫色的高锰酸钾溶液，如果紫红色褪去，则证明二氧化硫的存在；二氧化碳的存在鉴定可使其通过澄清石灰水完成，如果石灰水变浑浊，则二氧化碳存在；
【V】改装置使用时必须密封进行，所以实验前一定要先检查装置的气密性，因为D装置是检验生成二氧化碳的质量，所以不能让空气中的二氧化碳进入干扰测量的结果，因此E装置中也要放入碱石灰以防止二氧化碳的进入；
实验步骤3应先打开K₁K₂，关闭K₃，鼓入空气数分钟排净原来装置内的空气，以防止原有空气中的水蒸气以及二氧化碳对实验的干扰，再关闭K₁K₂，点燃酒精灯加热至不再产生气体为止．
根据装浓硫酸的洗气瓶C的质量变化为89.4g-87.6g=1.8g，装碱石灰的U型管D的质量变化为87.9g-74.7g=13.2g．则反应生成的水的质量是1.8g与二氧化碳的质量是13.2g．
则氧化镁的质量为31g-1.8g-13.2g=16g，所以该物质中镁的质量分数为 $\text{[math]}$ ×100%≈31%，而Mg₂（OH）₂CO₃、Mg₄（OH）₂（CO₃）₃、Mg₅（OH）₂（CO₃）₄三物质中镁的质量分数分别为 $\text{[math]}$ ×100%=33.8%； $\text{[math]}$ ×100%≈31%； $\text{[math]}$ ×100%≈26.7%；所以该物质是Mg₄（OH）₂（CO₃）₃；
【VI】因为化合物中各元素的化合价代数和为零，所以由化学式Mgx（OH）₂（CO₃）y可知（+2）x+（-1）×2+（-2）×y=0，则知x和y的关系是x=y+1，则Mgx（OH）₂（CO₃）_y分解的方程式为：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y $\text{[math]}$ xMgO+H₂O+yCO₂↑．
方案I：只测定分解后生成的水，连接方案是A→C→B，则C中盛放的药品应该是液态的浓硫酸，而B中则应是能阻挡外界空气中水蒸气进入的干燥剂氯化钙固体；
方案II：只测定分解生成的CO₂的质量，连接方案是A→C→B→C，则B中的药品是能吸收二氧化碳的碱石灰，最后连接的C中的药品是防止空气中二氧化碳进入的氢氧化钠溶液；
以上方式是利用水与二氧化碳的质量对化学式进行判断，更简单的做法可采用加热碱式碳酸镁称量反应前后固体质量的方式对化学式进行判断；
依据x=y+1利用水与二氧化碳的质量可知氧化镁的质量为7.88g-0.36g-3.52g=4g则有：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y 的化学式可写为 Mg_（y+1）（OH）₂（CO₃）_y，则依据镁元素的质量分数可列等式 $\text{[math]}$ = $\text{[math]}$
解的y=4，则x=y+1=4+1=5，所以该物质的化学式为Mg₅（OH）₂（CO₃）₄
故答案为：【I】OH^-；温度；反应速度；
【II】白色，

实验方案	实验现象	实验结论
取样于试管中滴加稀盐酸	有气泡冒出	证明有CO₃^2-
取样于试管，加热	有水珠生成	证明有氢元素

【III】C；

实验方案	实验现象	实验结论
稀硫酸	固体部分溶解	固体中含有氧化镁
加热	黑色固体全部溶解	固体中含有碳

【IV】无水硫酸铜；高锰酸钾溶液；澄清石灰水；白色固体变蓝；紫红色褪去；澄清石灰水变浑浊
【V】检查装置的气密性；碱石灰；防止空气中的水蒸气进入装置；K₁K₂；K₃；K₁K₂；K₃；Mg₄（OH）₂（CO₃）₃；
【VI】x=y+1；Mgx（OH）₂（CO₃）_y $\text{[math]}$ xMgO+H₂O+yCO₂↑．浓硫酸；氯化钙固体；碱石灰，氢氧化钠溶液；可采用加热碱式碳酸镁称量反应前后固体质量；
依据x=y+1利用水与二氧化碳的质量可知氧化镁的质量为7.88g-0.36g-3.52g=4g则有：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y 的化学式可写为 Mg_（y+1）（OH）₂（CO₃）_y，则依据镁元素的质量分数可列等式 $\text{[math]}$ = $\text{[math]}$
解的y=4，则x=y+1=4+1=5，所以该物质的化学式为Mg₅（OH）₂（CO₃）₄．
分析：【I】依据叙述的信息以及反应进行时的条件变化分析解答即可；
【II】依据氧化镁氢氧化镁的认识结合碳酸根和氢元素的鉴定方式解决即可；
【III】利用题干中提供的相关反应的信息结合有关物质的物理性质对实验过程进行分析探讨即可；
【IV】依据物质检验的一般规律以及反应的现象对问题进行分析探讨即可；
【V】根据反应过程的要求对实验步骤进行判断，根据生成的水与二氧化碳的质量推断碱式碳酸镁的化学式．
【VI】依据碱时碳酸镁分解的产物情况结合相关的吸收装置的使用要求以及化学方程式的相关计算分析解答即可；
点评：本题通过提出问题、做出猜想、设计实验方案、进行实验等环节，体现了科学探究的一般过程．但本题计算量较大，要求学生对知识掌握程度较高，是一道综合性较强的题目的难题．

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