Question

8．Fe、Cu都是人类较早使用的金属，某校化学研究性学习小组的同学运用实验的手段研究Fe、Cu以及化合物的相关性质．请你参与研究并回答下列问题：

（1）甲同学完成了Fe、Cu分别与S、Cl₂反应的实验，下列物质中不可能为甲同学实验得到的生成物是B
A．FeCl₃ B．FeCl₂ C．CuCl₂ D．FeS
（2）乙同学为验证Fe能和热的浓HNO₃反应，设计了如上图所示的实验装置，请说出装置B的作用：缓冲作用、防倒吸作用．开始加热前无（填“有”或“无”）明显现象．
（3）当乙同学实验结束时，铁完全溶解，试管液面上方为无色气体，试管上部为红棕色气体，此时丙同学用所得的溶液进行如下实验和探究：
①在所得的溶液中加入一小块Cu片，结果Cu片先逐渐溶解，并伴随其他现象，反应一段时间后不再溶解．丙同学依据反应现象得出Cu片溶解的原因可能是和过量的HNO₃发生反应．他依据的反应现象是生成无色气体、试管上部出现红棕色气体；该反应的离子方程式为3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O．你认为Cu片溶解是否还有另一原因，若有请用化学方程式表示其理由：2Fe（NO₃）₃+Cu=Cu（NO₃）₂+2Fe（NO₃）₂（若无此空不填）
②请你设计实验证明在加入Cu片并反应完全后的溶液中含有Fe²⁺但不含有Fe³⁺．说明具体的操作和实验现象取该溶液少许，滴加适量的KSCN溶液，不出现红色，再滴加适量新制氯水，出现红色．
③丙同学实验结束后加水稀释后得到溶液500mL，假设实验全过程硝酸只被还原成NO和NO₂共0.02mol并测得溶液中Fe²⁺和Cu²⁺浓度均为0.02mol/L，则NO₃^-的物质的量浓度为0.08mol/L．生成NO气体的体积为0.224L（标准状况）．
（4）本次探究实验用掉密度为1.5g•cm^-3质量分数为95%的浓硝酸3mL，超出实际参加反应的量其原因有（写出两点）：①浓硝酸易挥发部分硝酸挥发②硝酸受热分解．

Answer 1

分析 （1）Fe与Cl₂反应生成FeCl₃，Cu与Cl₂反应生成CuCl₂，Fe与S反应生成FeS；
（2）Fe能和热的浓HNO₃反应生成二氧化氮，二氧化氮能和水反应，若A与C直接连接，C中液体能倒吸到A中，所以装置B具有缓冲作用、防倒吸作用，开始加热前无明显现象；
（3）①根据二氧化氮的性质分析，二氧化氮能和水反应生成硝酸，当溶液中硝酸过量时，二氧化氮会剩余，气体呈红棕色；硝酸过量时，铁和硝酸反应生成三价铁，根据三价铁的性质分析；
②先根据Fe³⁺的特征反应，加入硫氰酸钾溶液判断溶液不含Fe³⁺，然后加入氧化剂，如果含有Fe²⁺，Fe²⁺被氧化剂氧化成Fe³⁺溶液变成红色，以此证明Fe²⁺的存在；
③根据N原子守恒可知，溶液中NO₃^-的物质的量n（NO₃^-）=2n（Fe²⁺）+2n（Cu²⁺），硝酸只被还原成NO和NO₂共0.02mol，根据得失电子守恒计算生成NO的物质的量；
（4）浓硝酸易挥发、易分解．

解答 解：（1）氯气具有强氧化性，与铁、铜等金属反应时生成高价金属氯化物，例如FeCl₃、CuCl₂，而硫的氧化性较差，只能得到FeS、Cu₂S，故选B；
（2）铁在常温下与浓硫酸钝化，无明显现象；加热后，硝酸可被铁还原，得到NO₂或NO气体，气体被碱液吸收，为防止倒吸，采用了B装置来做安全瓶，故答案为：缓冲作用、防倒吸作用；无；
（3）①二氧化氮能和水反应生成硝酸和一氧化氮，当溶液中硝酸过量时，抑制二氧化氮的溶解，所以Cu片溶解的原因可能是和过量的HNO₃发生反应，可看到生成无色气体，试管上部出现红棕色气体，该反应的离子方程式为3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，硝酸过量时，铁和硝酸反应生成三价铁，三价铁和铜能反应生成二价铁离子和铜离子，从而使铜片溶解，发生反应为2Fe（NO₃）₃+Cu=Cu（NO₃）₂+2Fe（NO₃）₂，
故答案为：生成无色气体、试管上部出现红棕色气体；3Cu+2NO₃^-+8H⁺=3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；2Fe（NO₃）₃+Cu=Cu（NO₃）₂+2Fe（NO₃）₂；
②取适量反应后的溶液放入试管中，加入KSCN溶液无明显现象，再加入少量氯水，溶液变红则证明溶液中含有Fe²⁺但不含Fe³⁺，
故答案为：取该溶液少许，滴加适量的KSCN溶液，不出现红色，再滴加适量新制氯水，出现红色；
③由溶质Fe（NO₃）₂及Cu（NO₃）₂的化学式可看出，两者所对应的c（NO₃^-）均为0.04mol/L，故溶液中c（NO₃^-）均为0.08mol/L，
设NO与NO₂的物质的量分别为x、y，则x+y=0.02；
铁铜单质均转化为+2价的金属离子，失电子总数为0.04mol，故由电子的得失守恒得3x+y=0.04
解得x=y=0.01mol，故在标准状况下NO的体积为0.224升，
故答案为：0.08；0.224；
（4）实际消耗硝酸的物质的量为$\frac{3×1.5×95%}{63}$=0.68mol，而由氮元素的守恒可知，理论上消耗的硝酸为0.02+0.02+0.02=0.06mol，导致两数据有差别的原因可能是：①浓硝酸易挥发②硝酸受热分解，
故答案为：①浓硝酸易挥发部分硝酸挥发；②硝酸受热分解．

点评 本题考查物质性质实验方案设计，为高频考点，涉及Cu和Fe及硝酸的性质、实验基本操作、氧化还原反应的计算，侧重考查分析计算能力，知道常见离子检验方法，注意化学用语的正确运用，题目难度中等．