Question

19．Fe、Cu都是人类较早使用的金属，某校化学研究性学习小组的同学运用实验的手段研究Fe、Cu以及化合物的相关性质．请你参与研究并回答下列问题：
（1）甲同学取一束细铜丝用砂纸打磨后在酒精灯上加热至红热，再伸到Cl₂的集气瓶中．你认为甲同学在实验中应该观察到的现象是Cu能在Cl₂中燃烧，产生棕黄色的烟．
（2）乙同学为验证Fe在冷的浓HNO₃中发生钝化但能和热的浓HNO₃反应，设计了如图1、2所示的实验，请你指出其中的两处错误：两只试管中的液体均超过试管容积的$\frac{1}{3}$、加热液体的试管不与桌面成45°角向上倾斜；；纠正上述错误后，请你从绿色化学的角度出发，对图2装置提出改进建议，使装置既能控制反应的进行，又能减少氮氧化物的排放：将装置2中的铁片改成一段为螺旋状的铁丝，螺旋状的一端深入硝酸中，另一端伸出橡胶塞．
（3）丙同学在Fe和浓HNO₃反应后的溶液中加入一块Cu片，Cu片逐渐溶解，反应一段时间后不再溶解（Cu有剩余）．
①丙同学依据反应现象得出Cu片溶解的原因是和HNO₃发生反应．他依据的反应现象是试管上部出现红棕色气体．
②丁同学认为丙同学的结论不完全正确．他的理由是Fe和硝酸反应后的溶液中可能有HNO₃，但也一定有Fe³⁺，Fe³⁺也能和Cu反应而使Cu片溶解．
（4）请你设计实验证明在加入Cu片并反应完全后的溶液中含有Fe²⁺但不含有Fe³⁺．说明具体的操作和实验现象取适量反应后的溶液放入试管中，加入KSCN溶液无明显现象，再加入少量氯水，溶液变红则证明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺．

Answer 1

分析 （1）根据铜及氧气、氯气的性质分析；
（2）根据实验时，取用液体的体积及加热液体的注意事项分析；根据实验是否容易控制及反应产物量的多少分析；
（3）①根据二氧化氮的性质分析，二氧化氮能和水反应生成硝酸，当溶液中硝酸过量时，二氧化氮会剩余，气体呈红棕色；
②硝酸过量时，铁和硝酸反应生成三价铁，根据三价铁的性质分析；
（4）先根据Fe³⁺的特征反应，加入硫氰酸钾溶液判断溶液不含Fe³⁺，然后加入氧化剂，如果含有Fe²⁺，Fe²⁺被氧化剂氧化成Fe³⁺溶液变成红色，以此证明Fe²⁺的存在．

解答 解：（1）铜在氧气中不燃烧，在氯气中能燃烧产生棕黄色烟，
故答案为：Cu能在Cl₂中燃烧，产生棕黄色的烟；
（2）加热液体时，试管内的液体超过试管的三分之一，超过三分之一时，加热过程中容易产生暴沸，造成安全事故；加热液体的试管不与桌面成45°角向上倾斜，不能竖直向上；改进后的铜丝容易抽拉，即容易控制反应的进行，从而减少氮氧化物的排放，将装置2中的铁片改成一段为螺旋状的铁丝，螺旋状的一端深入硝酸中，另一端伸出橡胶塞，既能控制反应的进行又能减少氮氧化物的排放；
故答案为：两只试管中的液体均超过试管容积的$\frac{1}{3}$；加热液体的试管不与桌面成45°角向上倾斜；将装置2中的铁片改成一段为螺旋状的铁丝，螺旋状的一端深入硝酸中，另一端伸出橡胶塞；
（3）①二氧化氮能和水反应生成硝酸和一氧化氮，当溶液中硝酸过量时，抑制二氧化氮的溶解，所以可看到气体呈红棕色，
故答案为：试管上部出现红棕色气体；
②硝酸过量时，铁和硝酸反应生成三价铁，三价铁和铜能反应生成二价铁离子和铜离子，从而使铜片溶解，发生反应为2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺，
故答案为：Fe和硝酸反应后的溶液中可能有HNO₃，但也一定有Fe³⁺，Fe³⁺也能和Cu反应而使Cu片溶解；
（4）取适量反应后的溶液放入试管中，加入KSCN溶液无明显现象，再加入少量氯水，溶液变红则证明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺，
故答案为：取适量反应后的溶液放入试管中，加入KSCN溶液无明显现象，再加入少量氯水，溶液变红则证明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺．
故答案为：2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺．

点评 本题考查了常见金属铜和铁的化学性质，实验基本操作，难度不大，写三价铁离子和铜反应的离子方程式时要注意电荷守恒，离子检验时注意氧化剂、KSCN溶液的顺序不能颠倒．