Question

5．某同学在用稀硫酸与锌制取氢气的实验中，发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率．请回答下列问题：
（1）上述实验中发生反应的离子方程式有：Zn+2H⁺═Zn²⁺+H₂↑、Zn+Cu²⁺═Zn²⁺+Cu；
（2）硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是CuSO₄与Zn反应产生的Cu与Zn形成Cu-Zn-稀硫酸原电池，加快了氢气产生的速率；
（3）要加快上述实验中气体产生的速率，还可采取的措施有升高反应温度；适当增加硫酸的浓度、增加锌粒的表面积等（答两种）；
（4）为了进一步研究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列实验．将表中所给的混合溶液分别加入到6个盛有过量Zn粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间．

实验 混合溶液	A	B	C	D	E	F
4mol/L H2SO4/mL	30	V1	V2	V3	V4	V5
饱和CuSO4溶液/mL	0	0.5	2.5	5	V6	20
H2O/mL	V7	V8	V9	V10	10	0

①请完成此实验设计，其中：V₃=30，V₈=19.5；
②反应一段时间后，实验A中的金属呈灰黑色，实验E中的金属呈暗红色；
③该同学最后得出的结论为：当加入少量CuSO₄溶液时，生成氢气的速率会大大提高．但当加入的CuSO₄溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降．请分析氢气生成速率下降的主要原因当加入一定量的CuSO₄后，生成的Cu会沉积在Zn的表面，降低了Zn与溶液的接触面积，使得生成氢气的速率下降．
④实验A测得：收集到产生H₂体积为112mL（标准状况下）时所需的时间为10分钟，求化学反应速率ν（H₂SO₄）=0.01mol/（L•min）（忽略反应前后溶液体积变化）．

Answer 1

分析 （1）锌较活泼，可与硫酸铜、硫酸等发生置换反应；
（2）硫酸铜溶液加快氢气生成的速率，原因是形成原电池；
（3）对于溶液中的化学反应，影响反应速率的因素还有浓度、温度、催化剂以及固体表面积大小等；
（4）①为保证实验有对比性，只能逐渐改变一个变量分析，CuSO₄溶液体积逐渐增多，故H₂SO₄的量应相等均为30mL，水的量减小，但每组实验中CuSO₄与水的体积之和应相等；
②锌与硫酸反应使锌的表面凹凸不平，有很多细小的锌的颗粒，由于颗粒很小，光被完全吸收，所以看到的固体是灰黑色；Zn能够置换出Cu，出现暗红色；
③生成的单质Cu会沉积在Zn的表面，影响了反应速率；
④溶液的总体积为30mL+20mL=50mL，根据氢气与硫酸的关系计算出△c（H₂SO₄），再用v=$\frac{△c}{△t}$计算．

解答 解：（1）因为Cu²⁺的氧化性比H⁺的强，所以加入硫酸铜，Zn先跟硫酸铜反应，反应完后再与酸反应，
反应的有关离子方程式为：Zn+2H⁺═Zn²⁺+H₂↑、Zn+Cu²⁺═Zn²⁺+Cu，
故答案为：Zn+2H⁺═Zn²⁺+H₂↑、Zn+Cu²⁺═Zn²⁺+Cu；
（2）锌为活泼金属，加入硫酸铜，发生Zn+CuSO₄=ZnSO₄+Cu，置换出铜，与锌形成原电池反应，化学反应速率加快，
故答案为：CuSO₄与Zn反应产生的Cu与Zn形成Cu-Zn-稀硫酸原电池，加快了氢气产生的速率；
（3）对于溶液中的化学反应，影响反应速率的因素还有浓度、温度、催化剂以及固体表面积大小等，要加快上述实验中气体产生的速率，还可采取的措施有升高反应温度、适当增加硫酸的浓度、增加锌粒的表面积等，
故答案为：升高反应温度；适当增加硫酸的浓度、增加锌粒的表面积等；
（4）①要对比试验效果，除了反应的物质的量不一样以外，要保证其它条件相同，而且是探究硫酸铜量的影响，每组硫酸的量要保持相同，六组反应的总体积也应该相同，A组中硫酸为30mL，那么其它组硫酸量也都为30mL，而硫酸铜溶液和水的总量应相同，F组中硫酸铜20mL，水为0，那么总量为20mL，则V₈=20mL-0.5mL=19.5mL，V₃=30mL，
故答案为：30；19.5；
②A中没有加入硫酸铜，锌与稀硫酸反应后，锌的表面凹凸不平，有很多细小的锌的颗粒，由于颗粒很小，光被完全吸收，所以看到的固体是灰黑色；Zn能够置换出Cu附着在Zn表面，金属变为暗红，
故答案为：灰黑色；暗红；
③因为锌会先与硫酸铜反应，直至硫酸铜反应完才与硫酸反应生成氢气，硫酸铜量较多时，反应时间较长，而且生成的铜会附着在锌片上，会阻碍锌片与硫酸继续反应，氢气生成速率下降，
故答案为：当加入一定量的硫酸铜后，生成的单质铜会沉积在锌的表面，降低了锌与溶液的接触面积；
④收集到产生H₂体积为112mL（标准状况下）时所需的时间为10分钟，
H₂SO₄ ～～～～H₂，
  1mol      22.4L
 n（H₂SO₄）  0.112L
解得：n（H₂SO₄）=0.005mol，v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.005mol}{50×1{0}^{-3}L×10min}$=0.01mol/（L•min），
故答案为：0.01mol/（L•min）．

点评 本题考查了影响化学反应速率的因素以及反应速率的计算，本题的易错点在于第（4）小题，V₃、V₈的求得要注意分析表中数据，题目难度中等．