Question

某化學課外興趣小組為探究銅跟濃硫酸的反應情況，用下圖所示裝置先進行了有關實驗：

（1）B是用來收集實驗中產生的氣體的裝置，但未將導管畫全，請在圖上把導管補充完整。
（2）實驗中他們取6.4g 銅片和12mL 18mol·L^－1濃硫酸放在圓底燒瓶中共熱，直到反應完畢，最后發現燒瓶中還有銅片剩余，該小組學生根據所學的化學知識認為還有一定量的硫酸剩余。
①寫出銅跟濃硫酸反應的化學方程式                                                            。
②為什么有一定量的余酸但未能使銅片完全溶解，你認為原因是                                 。
③下列藥品中能夠用來證明反應結束后的燒瓶中確有余酸的是                      （填寫編號）。
A．鐵粉      B．氯化鋇溶液       C．銀粉       D．碳酸氫鈉溶液
（3）為定量測定余酸的物質的量濃度，甲、乙學生進行了如下設計：
①甲同學設計方案是：先測定銅與濃硫酸反應產生的SO₂的量，在計算余酸的物質的量濃度。他認為測定二氧化硫的量的方法有多種，請問下列實驗方案中可行的是                  （填寫編號）。
A．將裝置A產生的氣體緩緩通過預先稱量過的盛有堿石灰的干燥管，結束反應后再次稱量
B．將裝置A產生的氣體緩緩通入足量用稀硫酸酸化的高錳酸鉀溶液，再加入足量氯化鋇溶液，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀
C．用排水法測定裝置A產生氣體的體積（已折算成標準狀況）
D．將裝置A產生的氣體緩緩通入足量氫氧化鋇溶液，反應完全后，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀
E．將裝置A產生的氣體緩緩通入足量硝酸酸化的硝酸鋇溶液，反應完全后，過濾、洗滌、干燥、稱量沉淀
請你對不可行的方案進行分析（可以不填滿）：

方案序號	分析	誤差（偏低或偏高）	改變措施

②乙學生設計的方案是：在反應后的溶液中加蒸餾水稀釋至1000mL，取20mL與錐形瓶中，滴入2~3滴甲基橙指示劑，用標準氫氧化鈉溶液進行滴定（已知氫氧化銅開始沉淀的pH約為5），通過測出消耗氫氧化鈉溶液的體積來求余酸的物質的量濃度。假定反應前后燒瓶中溶液的體積不變，你認為乙學生設計的實驗方案能否求得余酸的物質的量濃度_______（填“能”或“不能”），其理由是                                                                                               。
（4）請再設計其他可行的實驗方案，來測定余酸的物質的量濃度，簡要寫出操作步驟及需要測定的數據（不必計算）                                                                            
                                                                                                 。

Answer 1

（1）如圖所示。
（2分）
（2）①Cu + 2H₂SO₄（濃） CuSO₄ + SO₂↑+ 2H₂O（2分）
②隨著反應進行，硫酸被消耗，產物有水生成，所以濃硫酸變成稀硫酸，反應會停止（1分）
③AD（1分）
（3）①E（1分）

方案序號	分析	誤差（偏低或偏高）	改變措施
A	堿石灰除吸收二氧化硫外還能吸收水，測得二氧化硫質量增大	偏低	A產生的氣體先經濃硫酸干燥，后用堿石灰吸收
B	高錳酸鉀溶液中含有硫酸，與氯化鋇反應生成沉淀增大	偏低	將硫酸酸化的高錳酸鉀溶液換成溴水或碘水或硝酸溶液
C	二氧化硫在水中以1∶40溶解，收集二氧化硫體積減少	偏高	將水換成四氯化碳、煤油等非極性溶劑
D	亞硫酸鋇在空氣中烘干及稱重過程中部分被氧化生成硫酸鋇，產生固體質量增大	偏低	先將二氧化硫用強氧化劑如溴水氧化，再加入足量的氯化鋇溶液或氫氧化鋇溶液

②不能（1分）     雖然甲基橙變色范圍：pH為3.1～4.4，氫氧化銅開始沉淀時的pH為5，在指示劑變色范圍之外，即中和酸時，銅離子不會消耗OH^-，但是甲基橙由紅色變成橙色、黃色時，銅離子溶液呈藍色，對觀察指示終點顏色有干擾。（1分）
（4）（2分）
方案一：①取反應后溶液，向其中加入足量鋅；②收集并測定氫氣的體積；③通過氫氣量計算剩余硫酸的物質的量濃度。
方案二：①取反應后溶液，向其中加入過量的氫氧化鈉溶液，至氫氧化銅完全沉淀；②過濾、洗滌、（低溫）干燥、稱量至恒重；③根據氫氧化銅的量計算出已反應的硫酸的量，進而計算剩余硫酸溶液濃度。
方案三：反應結束后將燒瓶中的銅片取出，洗凈、烘干，稱其質量即可。
方案四：反應結束后將燒瓶中的銅片取出，然后向溶液中加入足量氯化鋇溶液，過濾出沉淀，洗凈、干燥后稱量。（只要合理即得2分）

（1）SO₂的密度大于空氣的，所以通過排氣法收集SO₂時，應該是長進，短出。
（2）濃硫酸具有氫氧化性，在加熱的條件下和銅反應生成硫酸銅、SO₂和水。由于稀硫酸和銅不反應，而隨著反應的進行，硫酸的濃度會逐漸降低，當降低到一定濃度后，反應就停止，所以一定有硫酸剩余。如果有硫酸剩余，則加入鐵粉或碳酸氫鈉后，一定會產生氣體，據此可以驗證。由于溶液中有硫酸銅，所以加入氯化鋇一定產生白色沉淀，無法注明是否含有硫酸。銀和稀硫酸及硫酸銅都不反應，所以答案是AD。
（3）A中堿石灰除了能吸收SO₂外，還能吸收水蒸氣，導致測得的SO₂質量偏大，測得結果偏低。所以應該再通過堿石灰之前先通過濃硫酸進行干燥。B中高錳酸鉀溶液中就含有硫酸，從而生成的白色沉淀質量偏大，結果偏低。高錳酸鉀不能用硫酸酸化，可以用硝酸酸化。SO₂易溶于水，所以測得的SO₂偏低，結果偏高。可以用有機溶劑代替水。SO₂和氫氧化鋇反應生成的是亞硫酸鋇，亞硫酸鋇不穩定，在空氣中易被氧化生成硫酸鋇，是結果偏低。因此在通入氫氧化鋇之前，要首先把SO₂氧化生成硫酸，然后再和氫氧化鋇反應。硝酸具有氧化性，能把SO₂氧化生成硫酸，從而生成硫酸鋇沉淀，所以E是正確的。
（4）由于氫氧化鈉和硫酸首先反應，而硫酸銅開始是不反應的。由于銅離子在溶液中顯藍色，所以會干擾甲基橙的顏色變化，導致滴定不準確。
（5）本題屬于開放性試題，只有原理正確，可操作性強均可以。具體解析見答案。