Question

17．硅广泛应用于计算机技术领域．工业上，用焦炭在电炉中还原二氧化硅制得粗硅．某研究性学习小组在实验条件下对过量炭粉与二氧化硅反应的气体产物成分进行探究．
（1）提出假设
①该反应的气体产物是CO₂
②改反应的气体产物是CO
③该反应的气体产物是CO₂、CO的混合物．
（2）设计方案，利用如图1所示装置进行实验

（3）查阅资料
①在该实验条件下氮气不与碳、硅、二氧化硅发生反应
②实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO₂）饱和溶液混合加热制得氮气，氮气的发生装置可以选择图中2的d，反应的化学方程式为NH₄Cl+NaNO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O+NaCl．
（4）实验步骤
①连接好装置后，称取12.0g二氧化硅，10.0g碳粉混合均匀，放入质量为48.0g的硬质玻璃管中．放入药品前应进行的操作是检查装置的气密性
②打开弹簧夹，向装置中通入纯净干燥的氮气．
③停止通入氮气后，夹紧弹簧夹，加热一段时间，发现澄清石灰水（足量）变浑浊．
④待反应结束，停止加热，再缓缓通入一段时间的氮气，冷却至室温，称得硬质玻璃管和固体总质量为60.0g．再缓缓通入氮气的作用为赶出实验产生的CO₂，确保CO₂完全吸收
⑤将石灰水过滤、洗涤、烘干，称量固体质量为10.0g．该操作中过滤、洗涤时用到的玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒；至少称量2次．
（5）数据处理
根据所得实验数据，该实验中二氧化硅与碳发生反应的化学方程式为3C+2SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Si+2CO↑+CO₂↑；
（6）实验优化
学习小组有同学认为对实验装置需要进一步完善、改进：
①在尾气出口处加一点燃的酒精灯；②将澄清石灰水换成浓氢氧化钡溶液．

Answer 1

分析 （1）根据假设①②可以得出假设③的内容；
（3）氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO₂）饱和溶液混合加热反应制得氮气，固体和液体加热制备气体选择发生装置，反应物有NH₄Cl和NaNO₂，生成物为N₂；
（4）①按上图连接装置，并检查装置的气密性；
④根据前后两次通入氮气的时间和减小实验误差角度来分析；
⑤洗涤沉淀在过滤器中进行，称量固体质量最少两次，通过两次称量差不超过0.1g判断称量是否准确；
（5）根据质量守恒判断气体的组成，根据质量关系计算气体的物质的量之间的关系，进而书写化学方程式；
（6）一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃来进行尾气处理．

解答 解：（1）过量炭粉与氧化铁反应的气体产物可能有：①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物，
故答案为：CO₂、CO的混合物；
（3）氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO₂）饱和溶液混合加热反应制得氮气，固体和液体加热制备气体选择发生装置d，反应物有NH₄Cl和NaNO₂，生成物为N₂，根据质量守恒还应用水，则反应的化学方程式为NH₄Cl+NaNO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O+NaCl，
故答案为；d；  NH₄Cl+NaNO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O+NaCl；
（4）①连接好装置后，称取12.0g二氧化硅，10.0g碳粉混合均匀，放入质量为48.0g的硬质玻璃管中．放入药品前应进行的操作是：检查装置的气密性，
故答案为：检查装置的气密性；
④待反应结束，停止加热，再缓缓通入一段时间的氮气，冷却至室温，称得硬质玻璃管和固体总质量为60.0g．再缓缓通入氮气的作用为：赶出实验产生的CO₂，确保CO₂完全吸收，
故答案为：赶出实验产生的CO₂，确保CO₂完全吸收；
⑤将石灰水过滤、洗涤、烘干，称量固体质量为10.0g．该操作中过滤、洗涤时用到的玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒，至少称量2次，
故答案为：烧杯、漏斗、玻璃棒； 2；
（5）12.0g二氧化硅的物质的量为=$\frac{12.0g}{60g/mol}$=0.2mol，澄清石灰水变浑浊，说明有CO₂气体生成，
则n（CO₂）=n（CaCO₃）=$\frac{10g}{100g/mol}$=0.1mol，m（CO₂）=0.1mol×44g/mol=4.4g，
反应后硬质玻璃管和固体总质量变化=12g+10g+48g-60g=10g大于4.4g，则生成其气体为CO₂、CO的混合物，混合气体中含有CO物质的量=$\frac{10g-4.4g}{28g}$=0.2mol，所以CO、CO₂的混合气体物质的量比为2：1，所以方程式为：3C+2SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Si+2CO↑+CO₂↑，
故答案为：3C+2SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Si+2CO↑+CO₂↑；
（6）一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃来进行尾气处理，故答案为：在尾气出口处加一点燃的酒精灯．

点评 本题考查物质的制备，为高考常见题型和高频考点，侧重于学生的分析能力、实验能力的考查，注意把握题给信息，结合物质的性质解题，题目难度中等．