Question

10．两个化学兴趣小组进行了以下探究活动：
第一组：为研究铁质材料与热浓硫酸的反应，
（1）称取铁钉（碳素钢）12.0g放入30.0mL浓硫酸中，加热，充分反应后得到溶液X并收集到气体Y．
①甲同学认为X中除Fe³⁺外还可能含有Fe²⁺．若要确认其中是否含有Fe²⁺，应选择加入的试剂为d（选填序号）．
a．KSCN溶液和氯水  b．铁粉和KSCN溶液   c．浓氨水   d．酸性KMnO₄溶液
②乙同学取672mL（标准状况）气体Y通入足量溴水中，发生反应：
SO₂+Br₂+2H₂O=2HBr+H₂SO₄然后加入足量BaCl₂溶液，经适当操作后得到干燥固体4.66g．据此推知气体Y 中SO₂的体积分数为66.7%．
分析上述实验中SO₂体积分数的结果，丙同学认为气体Y中还可能含量有H₂和CO₂气体．为此设计了下列探究实验装置（图中夹持仪器省略）．

（2）写出产生CO₂的化学方程式C+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+2SO₂↑+2H₂O．
（3）装置A中试剂的作用是除去混合气体中的SO₂，反应的离子方程式5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺．
（4）如果气体Y中含有H₂，预计实验现象应是E中固体由黑变红和F中固体由白变蓝．
（5）简述确认气体Y中含有CO₂的实验现象B中品红溶液不褪色，C中石灰水变浑浊．
第二组：拟用下列装置定量分析空气中SO₂的含量：
注：气体流速管是用来测量单位时间内通过气体的体积的装置
（6）KMnO₄溶液中导管末端做成球状多孔结构的作用是增大接触面积，有利于SO₂的充分吸收．
（7）该实验中已经知道的数据有气体流速a L/min、酸性KMnO₄溶液的体积b L，其浓度为c mol/L．若从气体通入到紫色恰好褪去，用时5分钟．则此次取样处的空气中二氧化硫含量为$\frac{32bc}{a}$g/L．

Answer 1

分析 （1）①Fe²⁺具有还原性，可与高锰酸钾发生氧化还原反应；
②根据反应的方程式SO₂+Br₂+2H₂O=2HBr+H₂SO₄，H₂SO₄+BaCl₂=BaSO₄↓+2HCl，利用关系式法解答；
（2）碳能和浓硫酸反应生成二氧化硫、二氧化碳和水；
（3）二氧化硫和二氧化碳都能使澄清石灰水变浑浊，可用酸性高锰酸钾除去，为避免空气中水合二氧化碳进入F装置，G装置起到可吸收空气中的水和二氧化碳的作用；
（4）氢气具有还原性，能还原性，能还原黑色的氧化铜生成红色的铜单质，同时生成水，水能使无水硫酸铜变蓝色；
（5）确认气体Y中含有CO₂，应完全排除二氧化硫的干扰，根据二氧化硫的漂白性解答；
（6）KMnO₄溶液中导管末端做成球状多孔结构可以增大气体与溶液的接触，使气体充分被吸收；
（7）通入空气体积5aL，反应的KMnO₄物质的量为bcmol，根据KMnO₄物质的量运用方程式计算空气中二氧化硫的物质的量，进而计算空气中二氧化硫含量．

解答 解：（1）①溶液为Fe³⁺和Fe²⁺离子的混合物，加入KSCN溶液和氯水、铁粉和KSCN溶液、浓氨水都不能检验亚铁离子的存在，亚铁离子具有还原性，高锰酸钾溶液呈紫色，具有氧化性，可与亚铁离子在酸性条件下反应二褪色，
故答案为：d；
②SO₂+Br₂+2H₂O=2HBr+H₂SO₄，H₂SO₄+BaCl₂=BaSO₄↓+2HCl，
所以硫酸钡和二氧化硫之间的关系式为SO₂-----BaSO₄，
设二氧化硫的体积为V，
SO₂-----BaSO₄，
22.4L   233g
V      4.66g
V=0.448l=448mL，所以二氧化硫的体积分数=$\frac{448mL}{672mL}$×100%=66.7%，
故答案为：66.7%；
（2）碳素钢中含有碳，加热条件下，碳能和浓硫酸反应生成二氧化硫、二氧化碳和水，反应方程式为C+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+2SO₂↑+2H₂O，
故答案为：C+2H₂SO₄（浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+2SO₂↑+2H₂O；
（3）二氧化硫和二氧化碳都能使澄清石灰水变浑浊，但二氧化硫具有还原性，可与酸性高锰酸钾发生氧化还原反应，反应的离子方程式为5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺；
故答案为：除去混合气体中的SO₂；5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺；
（4）氢气具有还原性，能还原性，能还原黑色的氧化铜生成红色的铜单质，同时生成水，水能使无水硫酸铜变蓝色，这是检验水的特征反应，所以如果D中氧化铜变红，E中无水硫酸铜变蓝，则证明含有氢气，
故答案为：E中黑色固体变红色，F中无水硫酸铜由白色变蓝色；
（5）确认气体Y中含有CO₂，应完全排除二氧化硫的干扰，当B中品红溶液不褪色，C中石灰水变浑浊，可说明含有CO₂，
故答案为：B中品红溶液不褪色，C中石灰水变浑浊；
（6）KMnO₄溶液中导管末端做成球状多孔结构可以增大气体与溶液的接触，有利于SO₂的充分吸收．
故答案为：增大接触面积，有利于SO₂的充分吸收；
（7）通入空气体积a L/min×5min=5aL，KMnO₄物质的量为bL×cmol/L=bcmol，
5SO₂+2KMnO₄+2H₂O=2H₂SO₄+2MnSO₄+K₂SO₄
5        2
n（SO₂） bcmol
所以 n（SO₂）=$\frac{5}{2}$bcmol，质量为 $\frac{5}{2}$bcmol×64g/mol=160bcg，
此次取样处的空气中二氧化硫含量为$\frac{160bcg}{5aL}$=$\frac{32bc}{a}$g/L．
故答案为：$\frac{32bc}{a}$．

点评 本题考查了元素及其化合物的性质及实验设计、探究物质的组成和含量，为高频考点，综合性较强，难度较大，掌握浓硫酸、二氧化硫等物质的性质是关键，平时学习中加强离子方程式的书写及计算能力的培养．