Question

12．某化学小组拟采用如图所示装置（夹持和加热仪器已略去）来电解4mol/l食盐水，并用电解产生的H₂还原CuO粉末，以此来测定Cu的相对原子质量．同时用产生的氢气与一氧化碳合成二甲醚．

请回答下列问题：
（1）配制本实验用到的4mol/LNaCl溶液250ml需NaCl固体质量58.5克，定容时俯视容量瓶将使所配溶液浓度大于4mol/L（“大于”、“等于”、“小于”）
（2）为完成上述实验，正确的连接顺序为A连E（填字母）；电解发生的总的离子反应方程式为2H₂O+2Cl^-$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Cl₂↑+H₂↑+2OH^-．
（3）通入氢气一段时间后，对硬质玻璃管里的CuO粉末加热前，需要进行的操作检验氢气的纯度．
（4）精确称量硬质玻璃管的质量为a g，放入CuO后，精确称量硬质玻璃管和CuO的总质量为b g，实验完毕后：通过精确称量U形管反应前后的质量，来确定生成水的质量d g，进而确定Cu的相对原子质量．利用U型管质量判断不再有水生成的方法是u型管质量至恒重（或连续两次称量质量之差小于0.1g）本实验有明显不足之处，请指出并提出改进意见空气中的CO₂和水蒸气会通过D口进入U形管，从而产生较大的实验误差．若不改进将使测定结果偏低（“偏高”、“偏低”、“无影响”）．根据以上数据计算铜的相对原子质量$\frac{18（b-a）}{d}-16$．

Answer 1

分析 （1）根据质量m=CVM来计算；定容时俯视液面会使溶液体积偏小；
（2）由于A所在的极为阴极，电极反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，然后根据实验目的是用电解产生的H₂还原CuO粉末，据此分析A所连的导管；电解饱和食盐水时，阳极上Cl^-放电，阴极上H⁺放电，据此分析；
（3）此实验是用氢气来还原CuO，若加热的是氢气和空气的混合物，在易发生爆炸；
（4）实验原理是将氢气通过E进入C中的浓硫酸进行干燥，故通到硬质玻璃管中后，在加热条件下能将CuO还原为Cu，并生成水蒸汽，从而被b中的碱石灰吸收，即硬质玻璃管的减重量即为CuO中的含有的氧原子的质量，b的增重量即为H₂O的质量，据此分析．

解答 解：（1）所需的氯化钠的质量m=CVM=4mol/L×0.25L×58.5g/mol=58.5g；定容时俯视液面会使溶液体积偏小，则浓度偏大，故答案为：58.5，大于；
（2）由于A所在的极为阴极，电极反应为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，故从A导出的气体是氢气，由于本实验的目的是用电解产生的H₂还原CuO粉末，故要将从A中出来的气体先经浓硫酸干燥，然后通入CuO固体上，故A所连的导管应为E；电解饱和食盐水时，阳极上Cl^-放电：2Cl^-+2e^-=Cl₂，阴极上H⁺放电：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，故电解的总反应为：2H₂O+2Cl^-$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Cl₂↑+H₂↑+2OH^-，故答案为：E，2H₂O+2Cl^-$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Cl₂↑+H₂↑+2OH^-；
（3）此实验是用氢气来还原CuO，若加热的是氢气和空气的混合物，在易发生爆炸，故在加热前应先检验氢气的纯度，故答案为：检验氢气的纯度；
（4）实验原理是将氢气通过E进入C中的浓硫酸进行干燥，故通到硬质玻璃管中后，在加热条件下能将CuO还原为Cu，并生成水蒸汽，从而被b中的碱石灰吸收，即硬质玻璃管的减重量即为CuO中的含有的氧原子的质量，b的增重量即应为生成H₂O的质量．
故当U型管质量的质量不再变化时，说明CuO中的氧元素已经完全被结合生成水，即不再有水生成；但由于空气中的水蒸气和二氧化碳能通过D进入b从而被吸收，故b增重的质量偏大，导致产生误差；若不改变，则会导致生成水的质量偏高，则测得的CuO中氧原子的质量偏多，故Cu原子的质量偏小，则铜的相对原子质量偏低；
由于生成水的质量为dg，故水的物质的量为n=$\frac{d}{18}$mol，故CuO中氧原子的质量为m=$\frac{d}{18}mol×16g/mol$=$\frac{16d}{18}$g，由于CuO的质量为（b-a）g，故CuO中含有的铜原子的质量为：
（b-a）g-$\frac{16d}{18}$g=$\frac{18（b-a）-16d}{18}$g．由于水的物质的量为$\frac{d}{18}mol$，而其中的氧原子来自于CuO，物质的量也为$\frac{d}{18}mol$，而在CuO中，铜原子和氧原子的物质的量之比为1：1，故含有的铜原子的物质的量也为$\frac{d}{18}mol$，则铜原子的摩尔质量为M=$\frac{m}{n}$=$\frac{\frac{18（b-a）-16d}{18}g}{\frac{d}{18}mol}$=$\frac{18（b-a）}{d}-16$g/mol，即铜的相对原子质量为$\frac{18（b-a）}{d}-16$．
故答案为：u型管质量至恒重（或连续两次称量质量之差小于0.1g）；空气中的CO₂和水蒸气会通过D口进入U形管；从而产生较大的实验误差； 偏低；$\frac{18（b-a）}{d}-16$．

点评 本题考查了物质性质的验证和物质测定实验设计方案，物质性质的掌握，实验步骤和实验原理的理解是解题关键，题目难度中等．