Question

19．某研究小组为探究Cu的化学性质及溶液环境对反应的影响，设计并完成了下列实验．
Ⅰ．探究Cu的化学性质

实验	试剂1	试剂2	操作及现象
①	铜丝	氯气	将加热后的铜丝伸入盛有氯气的集气瓶中，产生棕黄色的烟
②		稀硝酸	产生无色气体，遇空气变为红棕色
③		0.1mol/LKMnO4溶液	加热后，铜丝表面有黑色物质，溶液颜色无明显变化

（1）根据化合价分析，在化学反应中铜主要体现出的化学性质是还原性．
（2）写出铜与稀硝酸反应的离子方程式3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O．
（3）向实验①的集气瓶中加水，随着水量的增加，溶液由黄色变为绿色，最后变为蓝色．
【查阅资料】
ⅰ．黄色与蓝色混合呈现绿色．
ⅱ．溶液中存在如下平衡：[Cu（H₂O）₄]²⁺+4Cl^-?[CuCl₄]^2-+4H₂O
利用化学用语和文字解释溶液颜色变化的原因：[CuCl₄]^2-+4H₂O?[Cu（H₂O）₄]²⁺+4 Cl^-，加水过程中，平衡正向移动，随着[Cu（H₂O）₄]²⁺的增加，溶液由黄色变为绿色，最后变为蓝色．
（4）反应③中溶液颜色无明显变化，是因为中性环境下反应很难进行．铜表面黑色的物质为CuO，同时有MnO₂生成，则中性环境下反应很难进行的原因是：生成的CuO覆盖在铜的表面阻止反应继续．
Ⅱ．探究溶液环境对反应的影响
为进一步研究酸碱性对铜与0.1mol/L KMnO₄溶液反应的影响，设计如图实验：

环境	反应现象
酸性	溶液紫红色变浅
碱性（1mL 1mol/L NaOH溶液）	无明显现象

（1）探究酸性条件下反应时，试剂X是．溶液颜色变浅能否说明铜与0.1mol/L KMnO₄溶液在酸性条件下发生了反应，理由是如果加入H₂SO₄溶液的体积是1 mL，对比碱性条件下的实验现象，则能说明发生了反应，如果加入H₂SO₄溶液的体积是大于1 mL，则有可能是稀释作用导致的溶液颜色变浅．
（2）对于铜与0.1mol/L KMnO₄溶液在碱性环境下的反应提出如下假设：
假设Ⅰ：0.1mol/L KMnO₄溶液在碱性环境下不能将铜氧化；
假设Ⅱ：0.1mol/L KMnO₄溶液在碱性环境下与铜反应较慢．
设计实验验证：
将铜丝紧密缠绕在碳棒上放入碱性的溶液A中，溶液很快由紫红色变为深绿色、．一段时间后，溶液变为浅蓝绿色，试管底部出现棕褐色粉末（MnO₂）．①反应加快的原因是发生了电化学腐蚀，其正极发生的电极反应式为：MnO₄^-+e^-→MnO₄^2-、MnO₄^2-+2e^-+2H₂O=MnO₂+4OH^-．
②通过上述实验得出结论．

Answer 1

分析 Ⅰ．探究Cu的化学性质：（1）氧化还原反应中，失去电子的反应物为还原剂，表现还原性，铜为金属，在氧化还原反应中易失去电子，化合价升高，表现出还原性；
（2）铜和稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮和水；
（3）黄色与蓝色混合呈现绿色，氯化铜在溶液中为蓝绿色，氯化铜在溶液中以[Cu（H₂O）₄]²⁺存在，加水过程中，随着[Cu（H₂O）₄]²⁺的增加，其浓度不同，颜色不同；
【查阅资料】（4）铜在空气中加热生成氧化铜，在中性溶液中氧化铜不溶解，阻碍铜与KMnO₄溶液反应．
Ⅱ．（1）因高锰酸钾具有强氧化性，所以选择酸为非还原性的酸；对照实验需除酸碱性不同，其它条件都相同，该实验需体积、浓度相同；
（2）①电化学腐蚀，正极上高锰酸根离子得电子生成锰酸根离子，锰酸根离子得电子生成棕褐色MnO₂和氢氧根离子；
②将铜丝紧密缠绕在碳棒上放入碱性的溶液A中，试管底部出现棕褐色粉末，发生电化学腐蚀，说明碱性条件下铜单质可以与KMnO₄溶液发生氧化还原反应，对照实验说明反应速度很慢，（或假设Ⅱ成立）．

解答 解：Ⅰ．探究Cu的化学性质：（1）铜和氯气反应生成氯化铜，铜元素的化合价变化为0价升高为+2价，表现出还原性，铜与稀硝酸反应生成硝酸铜，铜元素的化合价变化为0价升高为+2价，表现出还原性，铜丝加热后，铜丝表面有黑色物质，生成氧化铜，铜元素的化合价变化为0价升高为+2价，表现出还原性，所以根据化合价分析，在化学反应中铜主要体现出的化学性质是还原性，
故答案为：还原性；
（2）铜和稀硝酸反应生成硝酸铜、一氧化氮和水，反应的离子方程式为：3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O，
故答案为：3Cu+8H⁺+2NO₃^-═3Cu²⁺+2NO↑+4H₂O；
（3）氯化铜在溶液中：[CuCl₄]^2-+4H₂O?[Cu（H₂O）₄]²⁺+4 Cl^-，以[Cu（H₂O）₄]²⁺存在，其浓度不同，颜色不同，加水过程中，平衡正向移动，随着[Cu（H₂O）₄]²⁺的增加，溶液由黄色变为绿色，最后变为蓝色，
故答案为：[CuCl₄]^2-+4H₂O?[Cu（H₂O）₄]²⁺+4 Cl^-，加水过程中，平衡正向移动，随着[Cu（H₂O）₄]²⁺的增加，溶液由黄色变为绿色，最后变为蓝色；
【查阅资料】（4）铜在空气中加热生成氧化铜，反应③中溶液颜色无明显变化，是因为中性环境下，铜表面黑色的CuO，不溶解，阻碍铜与KMnO₄溶液反应，
故答案为：生成的CuO覆盖在铜的表面阻止反应继续继续；
Ⅱ．（1）因高锰酸钾具有强氧化性，所以选择酸为非还原性的酸，所以探究酸性条件下反应时，试剂X是H₂SO₄溶液，对照实验需除酸碱性不同，其它条件都相同，如果加入H₂SO₄溶液的体积是1 mL，对比碱性条件下的实验现象，则能说明发生了反应，如果加入H₂SO₄溶液的体积是大于1 mL，则有可能是稀释作用导致的溶液颜色变浅，
故答案为：H₂SO₄溶液；如果加入H₂SO₄溶液的体积是1 mL，对比碱性条件下的实验现象，则能说明发生了反应，如果加入H₂SO₄溶液的体积是大于1 mL，则有可能是稀释作用导致的溶液颜色变浅；
（2）①电化学腐蚀，正极上发生还原反应，高锰酸根离子得电子生成锰酸根离子，MnO₄^-+e^-→MnO₄^2-，锰酸根离子得电子生成棕褐色MnO₂和氢氧根离子，MnO₄^2-+2e^-+2H₂O=MnO₂+4OH^-，
故答案为：MnO₄^-+e^-→MnO₄^2-、MnO₄^2-+2e^-+2H₂O=MnO₂+4OH^-；
②探究溶液环境对反应的影响，将铜丝紧密缠绕在碳棒上放入碱性的溶液A中，溶液很快由紫红色变为深绿色，一段时间后，试管底部出现棕褐色粉末，发生电化学腐蚀，对照碱性（1mL 1mol/L NaOH溶液），无明显现象，说明碱性条件下铜单质可以与KMnO₄溶液发生氧化还原反应，但反应速度很慢，（或假设Ⅱ成立），
答：碱性条件下铜单质可以与KMnO₄溶液发生氧化还原反应，但反应速度很慢，（或假设Ⅱ成立）．

点评 本题考查了探究Cu的化学性质及溶液环境对反应的影响实验，掌握铜及其化合物的性质以及高锰酸根的性质是解答关键，侧重学生实验能力和分析能力的考查，注意电化学高频考点的掌握，题目难度中等．