Question

【题目】某研究性学习小组为研究Cu与浓H2SO4的反应，设计如下实验探究方案（装置中的固定仪器和酒精灯均未画出）。

实验选用细铜丝、98.3% H2SO4、品红溶液、澄清石灰水、CCl4、NaOH溶液等药品，铜丝被卷成螺旋状，一端没入浓H2SO4中，另一端露置在液面上方。

以下是该学习小组部分交流记录及后续探究实验的记录：

材料一：小组交流摘录

学生1：加热前，无现象发生；加热后，液面下铜丝变黑，产生气泡，有细小黑色颗粒状物质从铜丝表面进入浓硫酸中，黑色物质是什么？值得探究！

学生2：，我也观察到黑色颗粒状物质，后来逐渐转变为灰白色固体，我想该灰白色固体极有可能是未溶于浓硫酸的CuSO4。

学生3：你们是否注意到液面以上的铜丝也发黑，而且试管上部内壁有少量淡黄色S固体凝聚，会不会液面以上的铜丝与硫发生了反应，我查资料发现：2Cu+S = Cu2S（黑色）。

材料二：探究实验剪辑

实验1 将光亮的铜丝在酒精灯火焰上灼烧变黑，然后插入稀硫酸中，铜丝重新变得光亮，溶液呈蓝绿色；将光亮的铜丝置入加热的硫蒸气中变黑，然后插入稀硫酸中无变化。

实验2 截取浓硫酸液面上方变黑的铜丝，插入稀硫酸中无变化；将浓硫酸液面下方变黑的铜丝，插入稀硫酸，黑色明显变浅，溶液呈蓝绿色。

实验3 将溶液中的黑色颗粒状物质，经过滤、稀硫酸洗、蒸馏水洗、干燥后放入氧气流中加热，然后冷却，用电子天平称重发现质量减少10%左右。

根据上述材料回答下列问题：

（1）CuSO4可由金属铜与浓硫酸反应制备，该反应的化学方程式为______________。

（2）A试管上方的长导管的作用是_________________；D、E两支试管中CCl4的作用是_____________。

（3）加热过程中，观察到A试管中出现大量白色烟雾，起初部分烟雾在试管上部内壁析出淡黄色固体物质，在持续加热浓硫酸（沸腾）时，淡黄色固体物质又慢慢地消失。写出淡黄色固体消失的化学反应方程式：_______________。

（4）对A试管中的浓H2SO4和铜丝进行加热，很快发现C试管中品红溶液褪色，但始终未见D试管中澄清石灰水出现浑浊或沉淀。你的猜想是：______________。设计实验验证你的猜想_____________。

（5）根据上述研究，结合所学知识，你认为液面下方铜丝表面的黑色物质成分是_______。（写化学式）

Answer 1

【答案】Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O 冷凝、回流 防止倒吸 S+2H2SO4（浓）3SO2↑+2H2O 由于SO2溶解度较大，生成了Ca（HSO3）2溶液的缘故 取样后，向其中加入氢氧化钠溶液，观察是否有沉淀生成。（或者加热、加盐酸检验SO2气体等方法，开放题，正确即可给分） CuO、CuS、Cu2S

【解析】

(1)金属铜与浓硫酸反应生成硫酸铜、二氧化硫和水，据此书写方程式；

(2)长导管除了导气作用之外，还可以让气体冷凝，回流；二氧化硫和强碱的反应十分剧烈，且易溶于水；

(3)硫在加热时能和浓硫酸反应生成二氧化硫和水，据此写出反应的化学方程式；

(4) SO2的溶解度较大，正盐可能转化为酸式盐，可以使用氢氧化钠溶液将酸式盐转化为正盐检验；

(5)根据实验1、实验2、实验3的现象以及定量实验的数据进行对比分析，可以确定黑色物质中有CuO、CuS、Cu2S。

(1)CuSO4可由金属铜与浓硫酸反应制备，该反应的化学方程式为Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O，故答案为：Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O；

(2)根据实验装置，长导管的作用一定是能导气，但气体在导管中时间一长就会冷凝，回流；二氧化硫在强碱溶液中的溶解度很大，但其不溶于四氯化碳，故可以采用四氯化碳来防止倒吸现象的发生，故答案为：导气、冷凝、回流；防止倒吸；

(3)浓硫酸具有强氧化性，硫在加热时能和浓硫酸反应，反应的化学方程式为S+2H2SO4(浓) 3SO2↑+2H2O，故答案为：S+2H2SO4(浓) 3SO2↑+2H2O；

(4) 对A试管中的浓H2SO4和铜丝进行加热，很快发现C试管中品红溶液褪色，说明生成了二氧化硫，但始终未见D试管中澄清石灰水出现浑浊或沉淀，可能是SO2溶解度较大，与澄清石灰水反应生成了Ca(HSO3)2溶液；可以加入氢氧化钠溶液，观察是否有沉淀生成，故答案为：由于SO2溶解度较大，生成了Ca(HSO3)2溶液的缘故；取样后，向其中加氢氧化钠溶液，观察是否有沉淀生成；

(5)含有铜元素的黑色物质有：CuO、CuS、Cu2S，根据实验1、实验2、实验3的现象进行对比分析可知，液面上的铜丝上的黑色物质主要是不溶于稀硫酸的Cu2S，液面下的铜丝上的黑色物质一定包含可溶于稀硫酸的CuO和不溶于稀硫酸的硫化物（CuS和Cu2S至少有一种）。试管底部有黑色颗粒物质，将溶液中的黑色颗粒状物质，经过滤、稀硫酸洗，除去了其中的CuO，蒸馏水洗、干燥后得到的硫化物放入氧气流中加热，然后冷却，用电子天平称重发现质量减少10%左右。若此硫化物全部是Cu2S，其与氧气反应后生成CuO，固体质量不变；若硫化物全部是CuS，其与氧气充分反应后生成CuO，质量减少16.7%，因此不溶于稀硫酸的硫化物中既有Cu2S，又有CuS。综合以上的分析和计算，可以确定液面下方铜丝表面的黑色物质成分为CuO、CuS、Cu2S，故答案为：CuO、CuS、Cu2S。