Question

某同学设计下图装置进行铁和浓H₂SO₄反应的实验探究，请回答下列问题．

（1）将16克铁粉放入烧瓶中，由分液漏斗放入20mL 18mol/L的浓H₂SO₄，结果没有任何反应现象，原因是

铁在冷的浓硫酸中钝化

．随后点燃A处酒精灯，就有气体产生了．
（2）随着反应的进行，B中酸性KMnO₄溶液颜色逐渐变浅（产物中有Mn²⁺），请用离子方程式表示：

2MnO₄^-+5SO₂+2H₂O=2Mn²⁺+5SO₄^2-+4H⁺

，C中品红溶液颜色始终没有变化．
（3）当G处有持续稳定的气泡时，再点燃E处酒精灯，这样操作的原因是

待反应产生的H₂将装置中的空气排尽再加热，防止H₂与空气混合加热爆炸

．
（4）反应一段时间后，E、F处可观察到明显的现象，F处的实验现象

白色粉末变为蓝色

．
（5）为了确保实验的严谨性和F中现象的可信性，通常在F装置后再接一个装置G，则G中盛放的液体可以是

CD

A．CaCl₂溶液          B．Ca（OH）₂溶液      C．浓硫酸     D．CCl₄
（6）将a mol Fe与含b mol H₂SO₄的浓硫酸共热，假设按本题的过程进行反应，如果Fe与H₂SO₄均恰好完全反应，则生成的有
气体1是

H₂

，其物质的量为

（2a-b）

mol，
气体2是

SO₂

，其物质的量为

（b-a）

mol．

Answer 1

分析：（1）常温下，铁在浓硫酸中 发生钝化现象，阻止反应进行；加热条件下会发生氧化还原反应；
（2）B中酸性KMnO₄溶液颜色逐渐变浅的原因是生成的二氧化硫气体被高锰酸钾溶液氧化，高锰酸钾被还原为锰离子，溶液颜色变浅；C中品红溶液颜色始终没有变化说明B装置把二氧化硫全部吸收；
（3）浓硫酸随着反应进行浓度变稀后和铁反应生成氢气，氢气和空气混合点燃或加热时易发生爆炸，应先使氢气充满容器后再加入和氧化铜反应，便于观察现象；
（4）E处氢气还原氧化铜生成水和铜，现象由黑色变为红色，F处白色硫酸铜遇水边蓝色；
（5）F装置后再接一个装置G的目的是防止空气中的水蒸气进入干燥管干扰检验；所以G装置起到能吸收空气中的水蒸气或与空气隔离开；
（6）依据铁和浓硫酸反应，铁和稀硫酸反应的化学方程式计算得到生成的氢气和二氧化硫气体的物质的量；

解答：解：（1）常温下，铁在浓硫酸中 发生钝化现象，在表面形成致密的氧化物薄膜阻止反应进行；加热条件下会发生氧化还原反应；故答案为：铁在冷的浓硫酸中钝化；
（2）随着反应的进行，B中酸性KMnO₄溶液颜色逐渐变浅（产物中有Mn²⁺），是生成的二氧化硫气体被高锰酸钾溶液氧化，高锰酸钾被还原为锰离子，反应离子方程式表示：2MnO₄^-+5SO₂+2H₂O=2Mn²⁺+5SO₄^2-+4H⁺；
故答案为：2MnO₄^-+5SO₂+2H₂O=2Mn²⁺+5SO₄^2-+4H⁺；
（3）G处有持续稳定的气泡时，再点燃E处酒精灯，浓硫酸随着反应进行浓度变稀后和铁反应生成氢气，氢气和空气混合点燃或加热时易发生爆炸，应先使氢气充满容器后再加入和氧化铜反应，这样操作的原因是：待反应产生的H₂将装置中的空气排尽再加热，防止H₂与空气混合加热爆炸；
故答案为：待反应产生的H₂将装置中的空气排尽再加热，防止H₂与空气混合加热爆炸；
（4）F装置处是检验氢气还原氧化铜生成的水蒸气的存在，装置中的实验现象为：白色硫酸铜遇到水变蓝色，故答案：白色粉末变为蓝色；
（5）在F装置后再接一个装置G，目的是防止空气中的水蒸气进入F中干扰检验生成的水蒸气的存在，G装置起到能吸收空气中的水蒸气或与空气隔离开；
A、CaCl₂溶液不能起到阻止水蒸气进入F，故A错误；
B、Ca（OH）₂溶液不能起到阻止水蒸气进入F，故B错误；
C、浓硫酸能吸收水蒸气，能起到阻止水蒸气进入F，故C错误；
D、CCl₄不溶于水，能能起到阻止水蒸气进入F，故D错误；
故选CD．
（6）将a mol Fe与含b mol H₂SO₄的浓硫酸共热过程中，铁和浓硫酸加热反应，生成硫酸铁、二氧化硫和水，铁和硫酸铁反应生成硫酸亚铁，浓硫酸随着反应进行浓度减小，变稀后和铁发生置换反应生成氢气，发生的反应为：Fe+2H₂SO₄（浓）

△   .

FeSO₄+SO₂↑+2H₂O；Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑；设生成氢气物质的量为X，生成二氧化硫物质的量为Y，依据元素守恒和化学方程式计算得到：X+Y=a；X+2Y=b；解得到：X=（2a-b）mol；Y=（b-a）mol  
故答案为：
气体H₂：n（H₂）=（2a-b）mol  
气体SO₂：n（SO₂）=（b-a）mol

点评：本题考查了浓硫酸的性质应用，主要是反应产物的实验验证方案设计和现象分析，浓硫酸变稀后的反应中三价铁离子氧化性大于氢离子是金属关键，题目难度中等．