Question

18．某研究性实验小组欲验证浓硝酸在与Cu、Ag合金的反应过程中除生成NO₂气体外，还会有少量NO生成、并测定Cu、Ag合金中Cu的质量分数．查阅相关资料表明：“常温下，NO₂与N₂O₄混合存在，在低于0℃时几乎只有无色的N₂O₄液体或晶体存在．”为此，他们设计了如图所示的装置．

请回答下列问题
（1）写出A中Cu与HNO₃反应可能的化学方程式Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O、3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O．
（2）实验开始前先打开A部分的活塞K₁，持续通入一段时间的氮气再关闭K₁，其目的是排除系统的空气，防止NO氧化为NO₂；装置中B瓶的作用是吸收水蒸气，防止水蒸气在C中冷凝后与NO₂反应产生NO．
（3）停止反应后，打开D中的活塞K₂并通入O₂，若有NO生成，则D中出现的现象是无色气体变成红棕色气体．
（4）为减小实验误差，在A中反应完成和D中出现现象后，还应继续进行的操作是打开K₁、K₂持续通入一段时间的N₂和O₂．
（5）实验测得如下数据：实验前，Cu、Ag合金的质量：15.0g，浓HNO₃：40mL 13.5mol•L¹；实验后A溶液：V=40mL c（H⁺）=1.0mol•L¹．假设反应中HNO₃既无挥发也无分解，则：参加反应的HNO₃的物质的量为0.5mol．
（6）若已知Cu、Ag合金的质量为m g，且溶解完全．请利用A装置中反应后的溶液进行简单的操作，以确定合金中Cu的质量分数，其实验过程为在A中加入过量的Cl^-的溶液，过滤、洗涤、干燥并称量沉淀的质量．

Answer 1

分析 （1）根据铜和浓硝酸反应生成二氧化氮、硝酸铜和水，随着反应的进行，硝酸浓度变稀，铜和稀硝酸反应生成一氧化氮气体，硝酸铜和水；
（2）通入氮气是排除装置中的空气，避免生成的一氧化氮气体被氧化为二氧化氮；B装置是利用浓硫酸的吸水性吸收气体中的水蒸气避免在C中 冷却后水和二氧化氮反应生成一氧化氮；
（3）一氧化氮和氧气反应生成红棕色二氧化氮气体；
（4）由于装置中有残留的气体，所以要打开K₁、K₂持续通入一段时间的N₂和O₂，以把气体完全排尽；
（5）硝酸的总的物质的量n=13.5mol•L¹×0.04L=0.54mol，剩余硝酸n=1mol•L¹×0.04L=0.04mol，确定反应的硝酸的物质的量；
（6）铜银合金和硝酸全部反应生成铜盐和银盐，利用A装置中银离子和氯离子形成的沉淀称量计算得到合金中铜的质量分数．

解答 解：（1）铜和浓硝酸反应生成二氧化氮、硝酸铜和水，随着反应的进行，硝酸浓度变稀，铜和稀硝酸反应生成一氧化氮气体，硝酸铜和水，反应的可能化学方程式为：Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O、3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O；
故答案为：Cu+4HNO₃（浓）=Cu（NO₃）₂+2NO₂↑+2H₂O、3Cu+8HNO₃（稀）=3Cu（NO₃）₂+2NO↑+4H₂O；
（2）通入氮气是排除装置中的空气，避免生成的一氧化氮气体被氧化为二氧化氮；B装置是利用浓硫酸的吸水性吸收气体中的水蒸气避免在C中冷却后水和二氧化氮反应生成一氧化氮，
故答案为：排除系统的空气，防止NO氧化为NO₂；吸收水蒸气，防止水蒸气在C中冷凝后与NO₂反应产生NO；
（3）A中的反应停止后，打开D中的活塞K₂再通入氧气，若反应中确有NO产生，一氧化氮和氧气反应生成红棕色气体二氧化氮气体；
故答案为：无色气体变成红棕色气体；
（4）由于装置中有残留的气体，所以在A中反应完成和D中出现现象后还须进行的操作是：打开K₁、K₂持续通入一段时间的N₂和O₂，以把气体完全排尽；
故答案为：打开K₁、K₂持续通入一段时间的N₂和O₂；
（5）硝酸的总的物质的量n=13.5mol•L¹×0.04L=0.54mol，剩余硝酸n=1mol•L¹×0.04L=0.04mol，所以参加反应的硝酸是0.54mol-0.04mol=0.5mol；
故答案为：0.5mol；
（6）铜银合金和硝酸全部反应生成铜盐和银盐，利用A装置中银离子和氯离子形成的氯化银沉淀称量，即在A中加入过量的Cl^-的溶液，过滤、洗涤、干燥并称量沉淀的质量，从而计算得到合金中铜的质量分数，
故答案为：在A中加入过量的Cl^-的溶液，过滤、洗涤、干燥并称量沉淀的质量．

点评 本题考查了物质性质的实验设计，涉及硝酸性质，实验步骤和产物性质及其反应现象是解题关键，难度中等．