Question

一碳化学是以分子中只含一个碳原子的化合物（如CO、CH₄等）为原料来合成一系列化工原料和燃料的化学．
（1）工业上用天然气和水蒸气在高温条件下发生反应，得到CO和H₂，该反应的化学方程式为

 

，得到的CO和H₂的混合气被称为合成气，合成气在工业上可用于合成一系列化工原料和新型燃料，还可用于冶炼某些金属．
（2）某他学兴趣小组的同学在实验室模拟了合成气的制备，并设计实验验证合成气的还原性．
I．用甲烷和水蒸气在高温条件下反应得到合成气．根据（1）中所写的化学方程式．合成气中CO和H₂的质量比为

 

．
Ⅱ．用合成气还原足量氧化铜．实验装置如下图所示：

[设计买验步骤]
①连接好装置并检查气密性．
②装入药品，通人一段时间合成气．
③分别称量装置D、E的质量．
④缓缓通入合成气，加热装置C，使其充分反应．
⑤停止加热，继续通入合成气至恢复到室温．
⑥再次分别称量装置D、E的质量．
[完善实验设计]经过讨论同学们认为，装置E后还应添加一个酒精灯，并在实验步骤

 

（填实验步骤的序号）中点燃（点燃前应对气体验纯）．
[进行实验]该小组的同学按上述步骤进行实验，并记录了实验现象和数据：
①装置C中出现

 

色物质．
②称量数据如表所示．

	装置D的质量	装置E的质量
反应前	292.4g	198.2g
反应后	296.0g	201.5g

[现象分析和数据处理]
①甲同学根据装置C中的现象，认为是合成气中的CO和H₂还原了CuO．
②乙同学通过对上表数据的分析，推测除了CO和H₂以外，制得的合成气中可能还有未反应的CH₄，且CH₄也还原了CuO．试通过计算说明他的推测依据．
③丙同学提出，实验步骤⑤中通入的气体会带走装置E中的部分水蒸气，使实验产生误差．你认为该误差对乙同学的推测结果是否有影响？

 

（选填“是”或“否”，并说明理由）．
[拓展探究]该小组同学对于CH₄是否真的能够还原氧化铜提出了质疑并进行探究．
查阅资料：甲烷具有还原性，可以还原氧化铜，生成CO₂和H₂O；白色的无水硫酸铜遇水会变成蓝色．
实验设计：该小组同学拟用纯净的甲烷气体和如下装置进行实验．

①上图装置F中盛放的试剂名称是

 

．
②上图装置的正确连接顺序是

 

（填字母，且每套装置限用一次）．
[实验反思]除了可能是CH₄也还原了CuO外，出现上表数据关系还可能是因为

 

（写出一个原因，并说明理由）．

Answer 1

分析：（1）根据题中信息结合方程式书写要点书写．
（2）I．根据化学方程式的意义来分析求解．
Ⅱ．[完善实验设计]可分析各装置中发生反应的条件即可．
[进行实验]①可根据反应中各物质的物性来分析．
[现象分析和数据处理]
②分析表中数据可知生成物中CO₂、H₂O的质量，采用极端分析法讨论若全部是CO和H₂参与反应得到的CO₂、H₂O的质量比与全部是甲烷参与反应得到的二者相比较来分析．
③若带着E装置中的部分水蒸气，对实验数据来说就是测得的H₂O的质量将减小．即CO₂和H₂O的质量比增大，可以和实际试验数据相比较进行分析．
[拓展探究]
①要证明CH₄参与反应，就是要证明反应后生成了CO2和H₂O．
②根据反应过程来确定顺序，一般验证气体先验证水蒸气，因为中间反应可能带入水汽．
[实验反思因为合成气中有CH₄、CO、H₂O，是混合气参与的反应，参加反应的物质质量比并不是定值．

解答：解：（1）根据题意，生成物是CO和H₂，条件是高温，根据方程式书写要求可以写出．CH₄+H₂O

高温  .

CO+3H₂
（2）I．根据化学方程式知CO和H2的质量比=28：（2×3）=14：3
Ⅱ．[完善实验设计]分析所用各装置中的反应条件可知，装置C中氢气和氧化铜反应需要加热，对应实验步骤为②．
[进行实验]
①反应后装置C中黑色的氧化铜逐渐变为红色的铜，所以装置C中的固体是铜，为红色．
[现象分析和数据处理]
②如果只有CO和H₂，还原足量CuO，合成气中CO与H₂的分子个数比为1：3．生成物中碳元素与氢元素的质量比为2：1；如果只有CH₄还原足量CuO，生成物中碳元素与氢元索的质量比为3：1．现测得CO₂的质量：201.5g-198.2g=3.3g，H₂0的质量：296.0g一292.4g=3.6g
生成物中碳元素与氢元素的质量比：（3?3g×

12

44

）：（3.6g×

2

18

）=9：4，9；4介于2：1和3：1之间，由此可推测出，除了CO和H₂以外，制得的合成气中可能还有来反应的CH₄，且CH₄也还原了CuO
③否．因为带走水蒸气会使测得的CO₂质量偏低，而实际测得的生成物中碳、氢元素的质量比已经大于2：1，所以对推测结果无影响．
[拓展探究]要证明甲烷还原氧化铜，只要证明生成物中有CO₂和H₂O生成即可，所以F装置应是检验CO₂生成的，用澄清石灰水．装置H是还原CuO，G是用来证明水的生成，F是证明二氧化碳生成，I是处理尾气，所以顺序为HGFI．
[实验反思]因为本题是定量性实验，反应物是混合物，在以上的讨论中对反应物参加的可能性进行了分析证明，影响生成物的质量变化的还有参加反应的物质质量大小以及反应过程中是否全部参与反应．所以可以从这两方面进行分析证明．
故答案为：
（1）CH₄+H₂O

高温  .

CO+3H₂
（2）I．14：3
Ⅱ．[完善实验设计]②
[进行实验]红
[现象分析和数据处理]
    ②如果只有CO和H．还原足量CuO，合成气中CO与H₂的分子个数比为1：3．生成物中碳元素与氢元素的质量比为2；1
    如果只有CH₄还原足量CuO，生成物中碳元素与氢元索的质量比为3：1
    现测得CO₂的质量：201.5g-198.2g=3.3g  H₂0的质量：296.0g一292.4g=3.6g
    生成物中碳元索与氢元索的质量比：（3?3g×

12

44

）：（3.6g×

2

36

）=9：4
    9；4介于2：1和3：1之间
    由此可推测出，除了CO和H₂以外，制得的合成气中可能还有来反应的CH₄，且CH₄也还原了CuO．
    ③否．因为带走水蒸气，将会导致E装置的质量增加减小，从而会使测得的CO₂质量偏低，（二氧化碳的质量就是两次称量E装置的质量差），而实际测得的生成物中碳、氢元素的质量比已经大于2：1，所以对推测结果无影响．
[拓展探究]澄清石灰水    H G F I 
[实验反思]因为根据测得数据计算，生成物中碳、氧元素的质量比值2：1，所以可能是合成气中参与反应的CO与H₂
分子个数比大于1：3（或H₂未完全参加反应、生成的水未被完全吸收等）．

点评：本题是一道综合性实验探究题，对培养学生分析问题解决问题的能力有一定的提高．