Question

一碳化學是以分子中只含一個碳原子的化合物（如CO、CH₄等）為原料來合成一系列化工原料和燃料的化學．
（1）工業上用天然氣和水蒸氣在高溫條件下發生反應，得到CO和H₂，該反應的化學方程式為______，得到的CO和H₂的混合氣被稱為合成氣，合成氣在工業上可用于合成一系列化工原料和新型燃料，還可用于冶煉某些金屬．
（2）某他學興趣小組的同學在實驗室模擬了合成氣的制備，并設計實驗驗證合成氣的還原性．
I．用甲烷和水蒸氣在高溫條件下反應得到合成氣．根據（1）中所寫的化學方程式．合成氣中CO和H₂的質量比為______．
Ⅱ．用合成氣還原足量氧化銅．實驗裝置如下圖所示：

[設計買驗步驟]
①連接好裝置并檢查氣密性．
②裝入藥品，通人一段時間合成氣．
③分別稱量裝置D、E的質量．
④緩緩通入合成氣，加熱裝置C，使其充分反應．
⑤停止加熱，繼續通入合成氣至恢復到室溫．
⑥再次分別稱量裝置D、E的質量．
[完善實驗設計]經過討論同學們認為，裝置E后還應添加一個酒精燈，并在實驗步驟______（填實驗步驟的序號）中點燃（點燃前應對氣體驗純）．
[進行實驗]該小組的同學按上述步驟進行實驗，并記錄了實驗現象和數據：
①裝置C中出現______色物質．
②稱量數據如表所示．

	裝置D的質量	裝置E的質量
反應前	292.4g	198.2g
反應后	296.0g	201.5g

[現象分析和數據處理]
①甲同學根據裝置C中的現象，認為是合成氣中的CO和H₂還原了CuO．
②乙同學通過對上表數據的分析，推測除了CO和H₂以外，制得的合成氣中可能還有未反應的CH₄，且CH₄也還原了CuO．試通過計算說明他的推測依據．
③丙同學提出，實驗步驟⑤中通入的氣體會帶走裝置E中的部分水蒸氣，使實驗產生誤差．你認為該誤差對乙同學的推測結果是否有影響？______（選填“是”或“否”，并說明理由）．
[拓展探究]該小組同學對于CH₄是否真的能夠還原氧化銅提出了質疑并進行探究．
查閱資料：甲烷具有還原性，可以還原氧化銅，生成CO₂和H₂O；白色的無水硫酸銅遇水會變成藍色．
實驗設計：該小組同學擬用純凈的甲烷氣體和如下裝置進行實驗．

①上圖裝置F中盛放的試劑名稱是______．
②上圖裝置的正確連接順序是______（填字母，且每套裝置限用一次）．
[實驗反思]除了可能是CH₄也還原了CuO外，出現上表數據關系還可能是因為______（寫出一個原因，并說明理由）．

Answer 1

解：（1）根據題意，生成物是CO和H₂，條件是高溫，根據方程式書寫要求可以寫出．CH₄+H₂OCO+3H₂
（2）I．根據化學方程式知CO和H2的質量比=28：（2×3）=14：3
Ⅱ．[完善實驗設計]分析所用各裝置中的反應條件可知，裝置C中氫氣和氧化銅反應需要加熱，對應實驗步驟為②．
[進行實驗]
①反應后裝置C中黑色的氧化銅逐漸變為紅色的銅，所以裝置C中的固體是銅，為紅色．
[現象分析和數據處理]
②如果只有CO和H₂，還原足量CuO，合成氣中CO與H₂的分子個數比為1：3．生成物中碳元素與氫元素的質量比為2：1；如果只有CH₄還原足量CuO，生成物中碳元素與氫元索的質量比為3：1．現測得CO₂的質量：201.5g-198.2g=3.3g，H₂0的質量：296.0g一292.4g=3.6g
生成物中碳元素與氫元素的質量比：（3?3g×）：（3.6g×）=9：4，9；4介于2：1和3：1之間，由此可推測出，除了CO和H₂以外，制得的合成氣中可能還有來反應的CH₄，且CH₄也還原了CuO
③否．因為帶走水蒸氣會使測得的CO₂質量偏低，而實際測得的生成物中碳、氫元素的質量比已經大于2：1，所以對推測結果無影響．
[拓展探究]要證明甲烷還原氧化銅，只要證明生成物中有CO₂和H₂O生成即可，所以F裝置應是檢驗CO₂生成的，用澄清石灰水．裝置H是還原CuO，G是用來證明水的生成，F是證明二氧化碳生成，I是處理尾氣，所以順序為HGFI．
[實驗反思]因為本題是定量性實驗，反應物是混合物，在以上的討論中對反應物參加的可能性進行了分析證明，影響生成物的質量變化的還有參加反應的物質質量大小以及反應過程中是否全部參與反應．所以可以從這兩方面進行分析證明．
故答案為：
（1）CH₄+H₂OCO+3H₂
（2）I．14：3
Ⅱ．[完善實驗設計]②
[進行實驗]紅
[現象分析和數據處理]
②如果只有CO和H．還原足量CuO，合成氣中CO與H₂的分子個數比為1：3．生成物中碳元素與氫元素的質量比為2；1
如果只有CH₄還原足量CuO，生成物中碳元素與氫元索的質量比為3：1
現測得CO₂的質量：201.5g-198.2g=3.3g H₂0的質量：296.0g一292.4g=3.6g
生成物中碳元索與氫元索的質量比：（3?3g×）：（3.6g×）=9：4
9；4介于2：1和3：1之間
由此可推測出，除了CO和H₂以外，制得的合成氣中可能還有來反應的CH₄，且CH₄也還原了CuO．
③否．因為帶走水蒸氣，將會導致E裝置的質量增加減小，從而會使測得的CO₂質量偏低，（二氧化碳的質量就是兩次稱量E裝置的質量差），而實際測得的生成物中碳、氫元素的質量比已經大于2：1，所以對推測結果無影響．
[拓展探究]澄清石灰水 H G F I
[實驗反思]因為根據測得數據計算，生成物中碳、氧元素的質量比值2：1，所以可能是合成氣中參與反應的CO與H₂
分子個數比大于1：3（或H₂未完全參加反應、生成的水未被完全吸收等）．
分析：（1）根據題中信息結合方程式書寫要點書寫．
（2）I．根據化學方程式的意義來分析求解．
Ⅱ．[完善實驗設計]可分析各裝置中發生反應的條件即可．
[進行實驗]①可根據反應中各物質的物性來分析．
[現象分析和數據處理]
②分析表中數據可知生成物中CO₂、H₂O的質量，采用極端分析法討論若全部是CO和H₂參與反應得到的CO₂、H₂O的質量比與全部是甲烷參與反應得到的二者相比較來分析．
③若帶著E裝置中的部分水蒸氣，對實驗數據來說就是測得的H₂O的質量將減小．即CO₂和H₂O的質量比增大，可以和實際試驗數據相比較進行分析．
[拓展探究]
①要證明CH₄參與反應，就是要證明反應后生成了CO2和H₂O．
②根據反應過程來確定順序，一般驗證氣體先驗證水蒸氣，因為中間反應可能帶入水汽．
[實驗反思因為合成氣中有CH₄、CO、H₂O，是混合氣參與的反應，參加反應的物質質量比并不是定值．
點評：本題是一道綜合性實驗探究題，對培養學生分析問題解決問題的能力有一定的提高．