Question

 某化学课外兴趣小组为探究铜跟浓硫酸的反应情况，用下图所示装置先进行了有关实验：

   （1）B是用来收集实验中产生的气体的装置，但未将导管画全，请在图上把导管补充完整。

   （2）实验中他们取6．4g 铜片和12mL 18mol·L^-1浓硫酸放在圆底烧瓶中共热，直到反应完毕，最后发现烧瓶中还有铜片剩余，该小组学生根据所学的化学知识认为还有一定量的硫酸剩余。

①写出铜跟浓硫酸反应的化学方程式：____________________________________；

②为什么有一定量的余酸但未能使铜片完全溶解，你认为原因是________；

③下列药品中能够用来证明反应结束后的烧瓶中确有余酸的是：________（填写编号）。

        A．铁粉         B．氯化钡溶液      C．银粉         D．碳酸氢钠溶液

   （3）为定量测定余酸的物质的量浓度，甲、乙学生进行了如下设计：

①甲同学设计方案是：先测定铜与浓硫酸反应产生的SO₂的量，在计算余酸的物质的量浓度。他认为测定二氧化硫的量的方法有多种，请问下列实验方案中可行的是_______（填写编号）。

        A．将装置A产生的气体缓缓通过预先称量过的盛有碱石灰的干燥管，结束反应后再次称量

       B．将装置A产生的气体缓缓通入足量用稀硫酸酸化的高锰酸钾溶液，再加入足量氯化钡溶液，过滤、洗涤、干燥、称量沉淀

        C．用排水法测定装置A产生气体的体积（已折算成标准状况）

       D．将装置A产生的气体缓缓通入足量氢氧化钡溶液，反应完全后，过滤、洗涤、干燥、称量沉淀

E．将装置A产生的气体缓缓通入足量硝酸酸化的硝酸钡溶液，反应完全后，过滤、洗涤、干燥、称量沉淀

请你对不可行的方案进行分析（可以不填满）：

方案序号	分析	误差（偏低或偏高）	改变措施

②乙学生设计的方案是：在反应后的溶液中加蒸馏水稀释至1000mL，取20mL与锥形瓶中，滴入2~3滴甲基橙指示剂，用标准氢氧化钠溶液进行滴定（已知氢氧化铜开始沉淀的pH约为5），通过测出消耗氢氧化钠溶液的体积来求余酸的物质的量浓度。假定反应前后烧瓶中溶液的体积不变，你认为乙学生设计的实验方案能否求得余酸的物质的量浓度_______（填“能”或“不能”），其理由是_________________________________________________。

   （4）请再设计其他可行的实验方案，来测定余酸的物质的量浓度，简要写出操作步骤及需要测定的数据（不必计算）_____________________________。

Answer

 解析：本题是源于教材实验的原创题。理解实验原理是解实验题的关键：

   （1）用排空气法收集二氧化硫，因为二氧化硫比空气重，所以用向上排空气法收集，即导管插入集气瓶底部，将空气从下至上排出。

   （2）铜与浓硫酸反应是一个进程反应，随着反应进行，硫酸浓度降低，稀硫酸与铜不反应，所以无论铜是否过量，硫酸都不能完全反应；检验有硫酸剩余，加入试剂与硫酸反应有明显现象即可，但是不能通过检验SO42-来推断，因为硫酸铜含有SO42-，题示的四种物质中，A、D可以检验是否剩余硫酸。

   （3）①测定二氧化硫体积必须防止其他因素干扰，否则实验误差太大。A中碱石灰吸收二氧化硫和水，所以称得净增碱石灰质量大于产生的二氧化硫质量；B中加入用稀硫酸酸化的高锰酸钾溶液，其中的H2SO4也与氯化钡反应生成沉淀，导致沉淀质量增大；C中二氧化硫部分溶于水，亚硫酸酸性较碳酸强。SO2 + H2O == H2SO3，收集到的二氧化硫体积比实际的少。D中SO2 + Ba（OH）2 == BaSO3↓+ H2O，2BaSO3 + O2 == 2BaSO4 ，所以测得质量增大，测得剩余硫酸量偏低。

    ②乙方案通过中和滴定测定剩余硫酸，甲基橙变色范围内氢氧化铜不沉淀，但是，甲基橙由红色变成橙色时，铜离子溶液呈蓝色干扰了对指示终点的观察（易错点！），所以不能测定。注意：不能用中和滴定的方法测定剩余硫酸溶液浓度。

   （4）这是本题的最大亮点：开放思维。反应前硫酸和铜的量都已知，反应后混合物中有铜、稀硫酸、硫酸铜。设计思路：①测铜质量；②测硫酸根离子的总量；③测稀硫酸质量等都可以达到实验目的。其中，测剩余铜的质量最简便。

    答案：（1）如图所示。

   （2）①Cu + 2H2SO4（浓） CuSO4 + SO2↑+ 2H2O（1分）

    ②随着反应进行，硫酸被消耗，产物有水生成，所以浓硫酸变成稀硫酸，反应会停止。

    ③AD（1分）

   （3）①E    （1分）

方案序号

分析

误差（偏低或偏高）

改变措施

A

碱石灰除吸收二氧化硫外还能吸收水，测得二氧化硫质量增大

偏低

A产生的气体先经浓硫酸干燥，后用碱石灰吸收

B

高锰酸钾溶液中含有硫酸，与氯化钡反应生成沉淀增大

偏低

将硫酸酸化的高锰酸钾溶液换成溴水或碘水或硝酸溶液

C

二氧化硫在水中以1∶40溶解，收集二氧化硫体积减少

偏高

将水换成四氯化碳、煤油等非极性溶剂

D

亚硫酸钡在空气中烘干及称重过程中部分被氧化生成硫酸钡，产生固体质量增大

偏低

先将二氧化硫用强氧化剂如溴水氧化，再加入足量的氯化钡溶液或氢氧化钡溶液

    （以上表格中每一个方案1分，共4分）

    ②不能（1分）  虽然甲基橙变色范围：pH为3．1~4．4，氢氧化铜开始沉淀时的pH为5，在指示剂变色范围之外，即中和酸时，铜离子不会消耗OH-，但是甲基橙由红色变成橙色、黄色时，铜离子溶液呈蓝色，对观察指示终点颜色有干扰（1分）

   （4）方案一：①取反应后溶液，向其中加入足量锌；②收集并测定氢气的体积；③通过氢气量计算剩余硫酸的物质的量浓度。

    方案二：①取反应后溶液，向其中加入过量的氢氧化钠溶液，至氢氧化铜完全沉淀；②过滤、洗涤、（低温）干燥、称量至恒重；③根据氢氧化铜的量计算出已反应的硫酸的量，进而计算剩余硫酸溶液浓度。

    方案三：反应结束后将烧瓶中的铜片取出，洗净、烘干，称其质量即可。

    方案四：反应结束后将烧瓶中的铜片取出，然后向溶液中加入足量氯化钡溶液，过滤出沉淀，洗净、干燥后称量。

    评注：铜与浓硫酸反应实验是教材中演示实验和学生实验，高考对本实验没有考查过，因此，对本实验改进与创新设计具有重要意义。解这类综合实验题，一要理解实验目的和原理，如测定反应后剩余硫酸的量；二要根据实验目的和原理，会设计多种方案，如测二氧化硫、剩余铜、已反应的铜、直接测定剩余硫酸、测定反应总硫酸根离子的量等，而测二氧化硫又有多种方法，从中找到最佳方案；三要灵活运用物质的性质，挖掘隐蔽信息，提高思维质量，如二氧化硫的水溶性、碱石灰吸水性、铜离子的颜色干扰性，指示剂选择等，都属于隐性信息；四要注意实验限制，设计实验方案有一些限制条件，思考时一定要结合限制条件，明确哪些方案不能考虑，如本实验中铜和硫酸量都已知，硫酸铜溶液呈蓝色，对观察中和滴定反应的终点变色有影响，不能再设计中和滴定实验方案，对中和滴定实验提出了新要求。

    易错点：（1）忽视硫酸铜溶液颜色覆盖甲基橙变色；

   （2）忽视硫酸铜中含SO42-的干扰，通过检验SO42-确认剩余硫酸的存在。

    设计综合实验的思维方法是：理解原理→明确目的→综合分析→比较选择→创新设计。