Question

(13分) 某研究性實驗小組欲驗證濃硝酸在與Cu、Ag合金的反應過程中除生成NO₂氣體外，還會有少量NO生成、并測定Cu、Ag合金中Cu的質量分數。查閱相關資料表明：“常溫下，NO₂與N₂O₄混合存在，在低于0℃時幾乎只有無色的N₂O₄液體或晶體存在”。為此，他們設計了如下圖所示的裝置�；卮鹣铝袉栴}:

（1）寫出A中Cu與HNO₃反應可能的離子方程式                           。 
（2）實驗前先打開A部分的活塞K₁，持續通一段時間的氮氣再關閉K₁，其目的是         ；裝置中B瓶的作用是                                         。
（3）停止反應后，打開D中的活塞K₂并通入O₂，若有NO生成，則D中出現的現象是                               ；實驗發現，通入的O₂溫度高低對實驗現象有較大影響，為便于觀察應通入（填“熱”或“冷”）      的O₂。
（4）實驗測得如下數據：實驗前，Cu、Ag合金的質量：15.0g，濃HNO₃：40mL 13.5 mol·L^-1；實驗后A溶液：V＝40mL  c(H⁺)＝1.0 mol·L^-1。假設反應中HNO₃ 既無揮發也無分解，則：①參加反應的HNO₃的物質的量為           mol      
②若已測出反應后E裝置的生成物中含氮元素的質量m克，則為確定合金中Cu的質量分數還需測定的數據是                              ，若測得該數據為n,寫出合金中銅的質量（設為x克）的求算式子（只需列式子，不需解方程）                      。
（5）為減小上述實驗誤差，在D中觀察到實驗現象后還須進行的操作是                。
（6）若已知Cu、Ag合金的質量為m g，且溶解完全。只利用A裝置中反應后的溶液進行簡單的操作，也可以確定合金中Cu的質量分數，其實驗操作過程為
                                                                     。

Answer 1

（1）Cu+4H⁺+ 2NO₃^－＝Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O （1分）
3Cu+8H⁺+ 2NO₃^－＝3 Cu²⁺+2NO↑+4H₂O （1分）
（2）把裝置中的空氣趕走，防止NO被氧化為NO₂
（1分）干燥反應中生成的氣體（1分）
（3）無色氣體變為紅棕色（1分）  熱（1分）  （4）① 0.5（1分）
②C中燒瓶在實驗前后增加的質量（1分）
2x/64+(15-x)/108=3m/14+n/46或2x/64+(15-x)/108="0.5-" m/14-n/46 （2分）
（5）打開K₁、K₂持續通入一段時間的N₂和O₂（1分）(不寫N₂不給分)
（6）在A中加入過量含Cl溶液，過濾后將沉淀洗滌、干燥，最后稱取沉淀的質量（2分）
(不寫過量扣1分，不寫洗滌干燥扣1分)

解析試題分析：（1）濃硝酸的還原產物是NO₂，但由于隨著反應的進行，硝酸的濃度逐漸變稀，會生成NO，所以反應的方程式是Cu+4H⁺+ 2NO₃^－＝Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O、
3Cu+8H⁺+ 2NO₃^－＝3 Cu²⁺+2NO↑+4H₂O。
（2）由于裝置中含有空氣，而空氣能把NO氧化生成NO₂，從而干擾實驗的檢驗，所以這樣操作的目的是趕走裝置中的空氣，防止干擾實驗。由于生成的氣體中含有水蒸氣，而NO₂能和水反應生成NO，從而無法確認銅與硝酸反應是否生成了NO氣體，所以B裝置的作用是干燥反應中生成的氣體。
（3）NO極易被氧氣氧化生成紅棕色的NO₂，所以實驗現象是無色氣體變為紅棕色。由于存在可逆反應2NO₂N₂O₄，又因為該反應是放熱反應，所以熱的空氣可以使平衡 2NO₂N₂O₄向逆方向移動，因此NO₂濃度增大，從而導致顏色加深，所以應該通入熱的氧氣。
(4) ①硝酸的總的物質的量是0.54mol，剩余硝酸是0.04mol，所以參加反應的硝酸是0.54mol－0.04mol＝0. 5mol。
②要計算銅質量分數，還需要計算出生成的N₂O₄的質量。所以還需要測量C中燒瓶在實驗
（5）由于裝置中有殘留的氣體，所以在D中觀察到實驗現象后還須進行的操作是：打開K₁、K₂持續通入一段時間的N₂和O₂，以把氣體完全排盡。
（6）由于反應后金屬生成了硝酸鹽，所以要測定該銀圓中銅的質量分數，還需要把金屬陽離子變成沉淀，然后通過稱量即可計算，所以正確的操作可以是向反應后的溶液中加入足量的鹽酸，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀的質量。
考點：考查物質的分離、外界條件對平衡的影響以及有關計算等
點評：化學是一門以實驗為基礎的學科，所以有化學實驗即科學探究之說法�；瘜W實驗主要以考察探究性實驗和物質制備實驗為主。這些探究性和制備性實驗的試題，綜合性強，理論和實踐的聯系緊密，有的還提供一些新的信息，要求學生必須認真審題，通過聯系所學過的知識和技能，靈活運用并進行知識的類比、遷移、重組，全面細致的思考才能作出正確的解答。