Question

20．某兴趣小组以老师提供的如图甲实验装置为主进行如下兴趣实验．（试剂均足量，假设各步反应均完全，装置可重复使用，部分夹持装置已省略，组合装置气密性良好．）

【探究一】甲组同学利用A装置来分离CO和CO₂的混合气体（气流从K₁进入装置）．
（1）在烧瓶内装入足量的NaOH溶液，分液漏斗中可装入适量稀硫酸，先关闭分液漏斗活塞，打开活塞K₁和K₂通入混合气体时，可先分离得到CO，再关闭K₁，打开分液漏斗活塞使液体流下，反应后可再得到CO₂，若要使实验成功，装置必需进行的改进措施是将A装置内左侧导管伸入液面下．
【探究二】甲组同学利用A装置制备O₂，并利用制得的O₂验证B中的黑色粉末是炭粉．
（2）A中反应的化学方程式是2H₂O₂ $\frac{\underline{\;MnO_2\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑．
（3）为完成此实验，除用装置A、B外，还需要补充的装置有C（填装置序号），该装置中应盛澄清石灰水（填药品名称），实验中可观察到该装置中的现象是澄清石灰水变浑浊，该装置中发生反应的化学方程式为Ca（OH）₂+CO₂ =CaCO₃↓+H₂O．
【探究三】若A装置中烧瓶内的气体可能是CO、CO₂、CH₄中的一种或几种，为确定烧瓶内气体的成分，乙组同学进行如下实验：
 CH₄与CuO在加热条件下反应，生成一种金属单质、二氧化碳和水．
Ⅰ．装置B的玻璃管中盛入足量的CuO固体；
Ⅱ．将3.0g的NaOH浓溶液滴入烧瓶中，充分反应；
Ⅲ．按A→C₁→B→C₂→…的顺序连接装置，打开K₁，从K₁处通入氮气，打开K₂，排尽B装置中空气，加热B装置中足量的CuO固体，充分反应；
Ⅳ．反应结束后，测得烧瓶中溶液的质量为3.1g，B装置中固体的质量减少了0.48g，第二个C装置的质量增加了0.18g．
（4）写出CH₄与CuO反应的化学方程式CH₄ +4CuO $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ 4Cu+CO₂+2H₂O．
（5）打开K₂前应先从K₁处通入氮气，否则易产生倒吸现象．两个装置C中试剂相同，装置C中的试剂名称是浓硫酸，通过数据分析，烧瓶中气体的成分是CO₂、CO和CH₄．
【探究四】丙组同学为探究“氧化铁和铜粉”混合物中氧化铁的质量分数，又增加了必要仪器，先称取一定量样品，按如图乙实验装置进行实验：

（6）D装置中用于加热的实验仪器的名称是酒精喷灯，装置D中发生反应的化学方程式为Fe₂ O₃ +3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．该实验的一个明显缺陷是缺少尾气处理装置．
（7）若要利用下列有关数据来测定样品中氧化铁的质量分数（假设反应均完全），最少需要测定下列数据中的2个数据，选择下列最少的数据，最多有3种方案能计算出样品中氧化铁的质量分数．
①通入玻璃管的CO体积V  ②原样品质量m₁ ③完全反应后玻璃管内固体质量m₂  ④反应前后E增重的质量m₃
（8）小王同学利用丙组所做实验中充分反应后的管内固体X进行如图丙实验：

①固体X与稀盐酸反应的化学方程式为：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑；
②有色溶液B中的溶质为FeCl₂和HCl（填化学式）；
③小王根据自己的实验数据，计算原混合物“氧化铁和铜粉”中铜的质量分数为20%．
（9）小李设计了另一简单的方案，取一定量氧化铁与铜粉的混合物样品，直接加入足量稀盐酸，充分反应后，过滤，将滤渣洗涤、干燥后再称量，即为样品中铜的质量．

Answer 1

分析 （1）根据二氧化碳会与氢氧化钠反应，一氧化碳不会与氢氧化钠反应，硫酸和氢氧化钠会生成二氧化碳气体，洗气应该是长进短出进行分析；
（2）根据A装置制取氧气的反应物是固体和液体，反应条件是常温进行分析；
（3）根据碳和氧气反应生成二氧化碳，检验二氧化碳常用澄清石灰水，二氧化碳和氢氧化钙反应会生成碳酸钙沉淀进行分析；
（4）根据甲烷和氧化铜在加热的条件下生成铜、二氧化碳和水进行分析；
（5）根据氢氧化钠吸入二氧化碳使烧瓶内压强减小；浓硫酸具有吸水性，是为了验证反应后是否有水生成；氢氧化钠溶液质量增加说明有二氧化碳，再根据反应后生成水，判断含有甲烷进行分析；
（6）根据实验室常用仪器的名称进行分析；
根据一氧化碳和氧化铁在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳，一氧化碳有毒，需要尾气处理进行分析；
（7）根据通入的一氧化碳是过量的，不能作为反应数据，完全反应后玻璃管内固体质量m₂，必须知道玻璃管的质量进行分析；
（8）①根据铁会与盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，铜不会与盐酸反应进行分析；
②根据加入的盐酸是过量的进行分析；
③根据氢气的质量可求出铁的质量，根据铁元素的质量可求出氧化铁的质量进行分析；
（9）根据氧化铁会与盐酸反应生成氯化铁和水，铜不会与盐酸反应，过滤、洗涤、干燥可以得到铜进行分析．

解答 解：（1）二氧化碳会与氢氧化钠反应，一氧化碳不会与氢氧化钠反应，硫酸和氢氧化钠会生成二氧化碳气体，洗气应该是长进短出，所以分液漏斗中可装入适量稀硫酸，先关闭分液漏斗活塞，打开活塞K₁和K₂通入混合气体时，可先分离得到CO，再关闭K₁，打开分液漏斗活塞使液体流下，反应后可再得到CO₂，若要使实验成功，装置必需进行的改进措施是：将A装置内左侧导管伸入液面下；
（2）A装置制取氧气的反应物是固体和液体，反应条件是常温，所以是过氧化氢制取氧气，过氧化氢在二氧化锰的催化作用下生成水和氧气，化学方程式为：2H₂O₂ $\frac{\underline{\;MnO_2\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；
（3）碳和氧气反应生成二氧化碳，检验二氧化碳常用澄清石灰水，所以除用装置A、B外，还需要补充的装置有C，该装置中应盛澄清石灰水，二氧化碳和氢氧化钙反应会生成碳酸钙沉淀，所以实验中可观察到该装置中的现象是澄清石灰水变浑浊，化学方程式为：Ca（OH）₂+CO₂ =CaCO₃↓+H₂O；
（4）甲烷和氧化铜在加热的条件下生成铜、二氧化碳和水，化学方程式为：CH₄ +4CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4Cu+CO₂+2H₂O；
（5）氢氧化钠吸入二氧化碳使烧瓶内气体压强减小，通入氮气防止液体倒吸；
为了验证通过B装置后是否有水生成，所以在通入B装置前将原来的水除掉，再通过B装置看是否有水生成，因为浓硫酸具有吸水性，可以除去水蒸气，所以C中放浓硫酸；
测得烧瓶中溶液的质量为3.1g，比氢氧化钠溶液质量增加了，说明烧瓶中含有二氧化碳，其它气体都不与氢氧化钠反应，第二个C装置的质量增加了0.18g说明生成了0.18g水，所以烧瓶中含有甲烷，
CH₄+4CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4Cu+CO₂+2H₂O
     320    256      36     固体质量减少：64
                    0.18g                 x
$\frac{36}{0.18g}$=$\frac{64}{x}$
x=0.32g，题干中B中固体的质量减少了0.48g，所以气体中有一氧化碳，
所以烧瓶中气体的成分是：CO₂、CO和CH₄；
（6）通过分析题中所指仪器的作用可知，D装置中用于加热的实验仪器的名称是：酒精喷灯；
一氧化碳和氧化铁在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳，化学方程式为：Fe₂ O₃ +3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，一氧化碳有毒，需要尾气处理，所以该实验的一个明显缺陷是：缺少尾气处理装置；
（7）通入的一氧化碳是过量的，不能作为反应数据，完全反应后玻璃管内固体质量m₂，必须知道玻璃管的质量，所以要利用下列有关数据来测定样品中氧化铁的质量分数（假设反应均完全），最少需要测定下列数据中的2个数据；
选择下列最少的数据，
E装置增重的质量就是二氧化碳的质量，通过二氧化碳可以求出参加反应的氧化铁的质量，然后求出氧化铁的质量分数；
Fe₂O₃-----CO₂
160      44
 x        m₃
 $\frac{160}{x}$=$\frac{44}{{m}_{3}}$
  x=$\frac{40{m}_{3}}{11}$
所以氧化铁的质量分数是：$\frac{40{m}_{3}}{11{m}_{1}}$×100%；
玻璃管内减小的质量就是氧元素的质量，所以
 Fe₂O₃-----3Fe   固体减小质量
  160                48
   y                 m₁-m₂
$\frac{160}{y}$=$\frac{48}{{m}_{1}-{m}_{2}}$
y=$\frac{10}{3}$（m₁-m₂）
所以氧化铁的质量分数为：$\frac{10（{m}_{1}-{m}_{2}）}{3{m}_{1}}$×100%；
Fe₂O₃-----3CO
160        84
 z        Vρ_{一氧化碳密度}
$\frac{160}{z}$=$\frac{84}{{v}_{{ρ}_{一氧化碳密度}}}$
  z=$\frac{40}{21}$Vρ_{一氧化碳密度}
所以氧化铁质量分数为：$\frac{40V{ρ}_{一氧化碳密度}}{21{m}_{1}}$×100%
所以最多有3种方案能计算出样品中氧化铁的质量分数；
（8）①铁会与盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，铜不会与盐酸反应，化学方程式为：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑；
②加入的盐酸是过量的，所以有色溶液B中的溶质为：FeCl₂和HCl；
③设铁的质量为x，
Fe+2HCl═FeCl₂+H₂↑
56              2
x               0.4g  
$\frac{56}{x}$=$\frac{2}{0.4g}$
x=11.2g    
所以氧化铁的质量为：$\frac{11.2g×160}{112}$=16g，所以原混合物“氧化铁和铜粉”中铜的质量分数为：$\frac{4g}{4g+16g}$×100%=20%；
（9）氧化铁会与盐酸反应生成氯化铁和水，铜不会与盐酸反应，过滤、洗涤、干燥可以得到铜，所以取一定量氧化铁与铜粉的混合物样品，直接加入足量稀盐酸，充分反应后，过滤，将滤渣洗涤、干燥后后再称量，即为样品中铜的质量．
故答案为：（1）稀硫酸，将A装置内左侧导管伸入液面下；
（2）2H₂O₂ $\frac{\underline{\;MnO_2\;}}{\;}$2H₂O+O₂↑；
（3）C，澄清石灰水，澄清石灰水变浑浊，Ca（OH）₂+CO₂ =CaCO₃↓+H₂O；
（4）CH₄ +4CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$4Cu+CO₂+2H₂O；
（5）倒吸；浓硫酸；CO₂、CO和CH₄；
（6）酒精喷灯，Fe₂ O₃ +3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，缺少尾气处理装置；
（7）2，3；
（8）Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑，FeCl₂和HCl，20%；
（9）洗涤，干燥，铜．

点评 在解此类题时，首先分析题中考查的问题，然后分解成一些简单的小问题，在结合学过的知识和题中所给的提示进行解答．