铜与浓硝酸反应的定性与定量探究

铜与浓硝酸反应的定性与定量探究

王永泉

王永泉河北省平泉县第一中学

实验题是高考理科综合试题的必出题型。仍然以教材或教辅资料的常见内容为背景，以重要元素及其化合物为载体。从考查角度新颖、知识全面综合等方面进行突破，全面考查学生的知识掌握、运用、分析和探究等能力，可能是今后高考实验题的命题趋势。

【题目】

某同学设计了如下实验装置（胶塞和导管所占的体积、导管内的气体、铜屑的体积和反应前后液体的体积变化均忽略不计），探究铜与浓硝酸反应的气体产物。

已知：装置A中大试管的容积为50mL，装置C中广口瓶的容积为200mL。

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请回答下列问题：

（1）按上图连接好实验装置，其中装置C中充满水、装置D中充满稀盐酸，如何检查A、C和D装置的气密性。

（2）在铜与浓硝酸反应前，向装置中通入CO2的目的是；在装置中通入CO2前，装置A如何改进，进行该步骤时应关闭，打开（填K1、K2、K3、K4）。当时，停止通入CO2。

（3）实验室制取下列气体时，与CO2的装置相同的是（）。

A、Cl2B、NH3C、H2D、SO2

（4）铜与浓硝酸反应立刻产生大量红棕色气体，铜与10mL浓硝酸（过量）反应结束后，通过装置A中的分液漏斗向试管中加入40mL蒸馏水，然后从装置C中所得溶液中取出50.00mL，滴入2滴酚酞试液，用0.10mol/L的NaOH溶液滴定，当滴定至终点时，消耗NaOH溶液20.00mL，则装置C所得液中溶质的物质的量浓度为，装置C中生成NOmL（标准状况下）。

（5）对装置D中收集的气体体积进行读数时，应注意、。

（6）反应结束后，若装置D中收集到154.00mL气体（标准状况下），请判断铜与浓硝酸反应的过程中是否有NO气体生成？写出理由。。

（7）某同学认为装置D中稀盐酸用水代替，不但节约化学试剂，而且还能提高实验的安全性，试分析该说法是否正确，并说明理由。。

【答案】

（1）关闭K1、K2和K4，打开K3，提升装置D中的量气管使量气管内液面高于干燥管内液面，静置一段时间，若液面差保持不变，说明装置器密性良好。

（2）排除装置中的空气；装置A中通入CO2的导管口伸入试管底部；关闭K3、K4，打开K1、K2；装置B中澄清石灰水变浑浊。

（3）C。

（4）0.04mol/L；89.6mL。

（5）①上下移动量气管使两边液面相平；②眼睛的视线与量气管内液体凹液面的最低处保持水平。

（6）有NO气体生成；装置D中收集的气体一定有50mLCO2和89.6mLNO，反应结束后，假设试管内全部为NO2，向试管中加入40mL蒸馏水时，生成NO的体积V（NO）＝40×1/3＝13.33mL，因50＋89.6＋13.33＝152.93＜154.00，所以铜与浓硝酸反应一定生成了NO。

（7）错误；CO2溶于水时，存在如下平衡：CO2＋H2OH2CO3、H2CO3HCO3－、HCO3－H+＋CO32－，因为稀盐酸中c（H+）较大，使上述平衡均逆向移动，减小了实验误差，所以不能用水代替稀盐酸。

【解析】

（1）检查装置气密性的方法有多种，其中不需要借助其他仪器的方法（最简单）是：关闭K1、K2和K4，打开K3，提升装置D中的量气管使量气管内液面高于干燥管内液面，静置一段时间，若液面差保持不变，说明装置器密性良好。

（2）因为NO很容易与空气中的O2反应生成NO2，对铜与浓硝酸反应气体产物的判断产生干扰，为了防止生成的NO与空气中的O2反应，通入CO2的目的是排除装置中的空气；因密度CO2＞空气，所以采用向上排空气法排除装置中的空气，则装置A中通入CO2的导管口应伸入试管底部；因可以忽略导管内的气体，所以只需排除装置A中的空气即可，进行该步骤时应关闭K3、K4，打开K1、K2，当装置B中澄清石灰水变浑浊时，说明已经排除装置A中的空气，停止通入CO2。

（3）依据实验室制取气体时反应物的状态、性质和反应条件可知H2与CO2的装置相同，选择C。

（4）铜与浓硝酸反应产生红棕色气体，说明生成NO2，NO2在装置C中溶于水生成HNO3，依据酸碱中和滴定的原理进行计算，则c（HNO3）＝0.10mol/L×20.00×10－3／50.00×10－3＝0.04mol/L；装置C中所得200mL溶液中硝酸的物质的量n（HNO3）＝0.008mol，依据化学方程式3NO2＋H2O＝2HNO3＋NO计算n（NO）＝0.004mol，则V（NO）＝0.004mol×22.4L/mol×103mL/L＝89.6mL。

（5）为了减少误差，读数时应注意：①上下移动量气管使两边液面相平，②眼睛的视线与量气管内液体凹液面的最低处保持水平。

（6）装置D中收集的气体一定有装置A中原有的50mLCO2和装置C中生成89.6mLNO；反应结束后，假设试管内全部为NO2，通过装置A中的分液漏斗向试管中加入40mL蒸馏水时，生成NO的体积V（NO）＝40×1/3＝13.33mL，因50＋89.6＋13.33＝152.93＜154.00，所以铜与浓硝酸反应一定生成了NO。

（7）CO2溶于水时，存在如下平衡：CO2＋H2OH2CO3、H2CO3HCO3－、HCO3－H+＋CO32－，因为稀盐酸呈酸性，使上述平衡均逆向移动，减小了实验误差，所以不能用水代替稀盐酸。

【点评】

本题背景虽然常见，但是考查角度新颖：将定性与定量实验巧妙地结合起来；考查内容全面：基本实验操作、实验理论分析、数据分析、重要元素及其化合物、化学平衡和酸碱中和滴定等知识。能全面考查学生的知识掌握、运用、分析和探究等能力。具有较强的综合性。