Question

(13分) 某研究性实验小组欲验证浓硝酸在与Cu、Ag合金的反应过程中除生成NO₂气体外，还会有少量NO生成、并测定Cu、Ag合金中Cu的质量分数。查阅相关资料表明：“常温下，NO₂与N₂O₄混合存在，在低于0℃时几乎只有无色的N₂O₄液体或晶体存在”。为此，他们设计了如下图所示的装置。回答下列问题:

（1）写出A中Cu与HNO₃反应可能的离子方程式                           。 
（2）实验前先打开A部分的活塞K₁，持续通一段时间的氮气再关闭K₁，其目的是         ；装置中B瓶的作用是                                         。
（3）停止反应后，打开D中的活塞K₂并通入O₂，若有NO生成，则D中出现的现象是                               ；实验发现，通入的O₂温度高低对实验现象有较大影响，为便于观察应通入（填“热”或“冷”）      的O₂。
（4）实验测得如下数据：实验前，Cu、Ag合金的质量：15.0g，浓HNO₃：40mL 13.5 mol·L^-1；实验后A溶液：V＝40mL  c(H⁺)＝1.0 mol·L^-1。假设反应中HNO₃ 既无挥发也无分解，则：①参加反应的HNO₃的物质的量为           mol      
②若已测出反应后E装置的生成物中含氮元素的质量m克，则为确定合金中Cu的质量分数还需测定的数据是                              ，若测得该数据为n,写出合金中铜的质量（设为x克）的求算式子（只需列式子，不需解方程）                      。
（5）为减小上述实验误差，在D中观察到实验现象后还须进行的操作是                。
（6）若已知Cu、Ag合金的质量为m g，且溶解完全。只利用A装置中反应后的溶液进行简单的操作，也可以确定合金中Cu的质量分数，其实验操作过程为
                                                                     。

Answer 1

（1）Cu+4H⁺+ 2NO₃^－＝Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O （1分）
3Cu+8H⁺+ 2NO₃^－＝3 Cu²⁺+2NO↑+4H₂O （1分）
（2）把装置中的空气赶走，防止NO被氧化为NO₂
（1分）干燥反应中生成的气体（1分）
（3）无色气体变为红棕色（1分）  热（1分）  （4）① 0.5（1分）
②C中烧瓶在实验前后增加的质量（1分）
2x/64+(15-x)/108=3m/14+n/46或2x/64+(15-x)/108="0.5-" m/14-n/46 （2分）
（5）打开K₁、K₂持续通入一段时间的N₂和O₂（1分）(不写N₂不给分)
（6）在A中加入过量含Cl溶液，过滤后将沉淀洗涤、干燥，最后称取沉淀的质量（2分）
(不写过量扣1分，不写洗涤干燥扣1分)

试题分析：（1）浓硝酸的还原产物是NO₂，但由于随着反应的进行，硝酸的浓度逐渐变稀，会生成NO，所以反应的方程式是Cu+4H⁺+ 2NO₃^－＝Cu²⁺+2NO₂↑+2H₂O、
3Cu+8H⁺+ 2NO₃^－＝3 Cu²⁺+2NO↑+4H₂O。
（2）由于装置中含有空气，而空气能把NO氧化生成NO₂，从而干扰实验的检验，所以这样操作的目的是赶走装置中的空气，防止干扰实验。由于生成的气体中含有水蒸气，而NO₂能和水反应生成NO，从而无法确认铜与硝酸反应是否生成了NO气体，所以B装置的作用是干燥反应中生成的气体。
（3）NO极易被氧气氧化生成红棕色的NO₂，所以实验现象是无色气体变为红棕色。由于存在可逆反应2NO₂N₂O₄，又因为该反应是放热反应，所以热的空气可以使平衡 2NO₂N₂O₄向逆方向移动，因此NO₂浓度增大，从而导致颜色加深，所以应该通入热的氧气。
(4) ①硝酸的总的物质的量是0.54mol，剩余硝酸是0.04mol，所以参加反应的硝酸是0.54mol－0.04mol＝0. 5mol。
②要计算铜质量分数，还需要计算出生成的N₂O₄的质量。所以还需要测量C中烧瓶在实验
（5）由于装置中有残留的气体，所以在D中观察到实验现象后还须进行的操作是：打开K₁、K₂持续通入一段时间的N₂和O₂，以把气体完全排尽。
（6）由于反应后金属生成了硝酸盐，所以要测定该银圆中铜的质量分数，还需要把金属阳离子变成沉淀，然后通过称量即可计算，所以正确的操作可以是向反应后的溶液中加入足量的盐酸，过滤、洗涤、干燥、称量沉淀的质量。
点评：化学是一门以实验为基础的学科，所以有化学实验即科学探究之说法。化学实验主要以考察探究性实验和物质制备实验为主。这些探究性和制备性实验的试题，综合性强，理论和实践的联系紧密，有的还提供一些新的信息，要求学生必须认真审题，通过联系所学过的知识和技能，灵活运用并进行知识的类比、迁移、重组，全面细致的思考才能作出正确的解答。