Question

某研究性學習小組為研究鐵粉與濃硫酸反應所生成氣體的成份并測定各氣體的含量，進行了如下實驗：
實驗推測】足量的鐵粉與濃硫酸反應能生成SO₂和H₂兩種氣體．
（1）該小組作出此推測的理由是：

 

．
【實驗準備】a．供選擇的藥品：鐵粉、濃硫酸、氧化銅粉末、0.2mol/L的H₂C₂O₄標準溶液、0.1mol/L的酸性KMnO₄標準溶液、酸堿指示劑．
b．實驗裝置設計及組裝（加熱及夾持裝置均已略去）

【實驗過程及數據處理】
（2）B中發生反應的離子方程式為：

 

．
（3）實驗前先通入一段時間的N₂，其目的是

 

．
（4）B、C、D中所盛試劑均足量，則證實生成的氣體中同時存在SO₂和H₂的現象是

 

 

．
（5）A中反應結束后，繼續通N₂使A中生成的氣體全部趕出，待B、D中反應完全后，先后三次取用B中反應后的溶液于錐形瓶中，每次取用25mL，用H₂C₂O₄標準溶液進行滴定．
①H₂C₂O₄標準溶液與酸性KMnO₄溶液反應的離子方程式如下，請將該方程式完成并配平．

 

H₂C₂O₄+

 

MnO₄^-+

 

H⁺=

 

Mn²⁺+

 

 H₂O+

 

②滴定達到終點時的現象是

 

．
③重復滴定兩次，平均每次耗用H₂C₂O₄標準溶液15.63mL，則鐵與濃硫酸反應產生的SO₂氣體
的物質的量為

 

；經稱量，實驗前后裝置D的質量減少0.8g，則產生的氣體中SO₂的體積分數為

 

．

Answer 1

分析：（1）根據加熱時鐵與濃硫酸反應生成二氧化硫，濃硫酸變成稀硫酸，鐵與稀硫酸反應生成氫氣；
（2）二氧化硫具有還原性，能夠與酸性高錳酸鉀溶液發生氧化還原反應；
（3）通入氮氣可以將裝置中的空氣排出，避免氫氣與空氣中的氧氣發生爆炸；
（4）根據裝置B中酸性高錳酸鉀溶液溶液顏色變淺證明含有二氧化硫，根據裝置D中黑色的氧化銅變成紅色證明混合氣體中含有氫氣；
（5）①根據氧化還原反應中化合價升降相等配平該反應的離子方程式；
②根據滴定前溶液為紫紅色，滴定結束時溶液紫紅色褪去判斷滴定終點；
③根據滴定數據計算出二氧化硫消耗的高錳酸根離子的物質的量，再根據反應方程式計算出二氧化硫的物質的量；根據裝置D減少的質量為O元素計算出混合氣體中氫氣的物質的量，再計算出二氧化硫的體積分數．

解答：解：（1）由于在加熱的條件下濃硫酸與Fe反應生成SO₂，隨著反應的進行，硫酸濃度變稀，稀硫酸與Fe反應生成H₂，
故答案為：在加熱的條件下濃硫酸與Fe反應生成SO₂，隨著反應的進行，硫酸濃度變稀，與Fe反應生成H₂；
（2）二氧化硫與酸性高錳酸鉀溶液溶液反應的離子方程式為：5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺，
故答案為：5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺；
（3）氫氣能夠與氧氣反應發生爆炸，所以反應前需要排除裝置中的空氣，防止H₂與空氣混合受熱發生爆炸，
故答案為：排除裝置中的空氣，防止H₂與空氣混合受熱發生爆炸；
（4）二氧化硫具有還原性，能夠與酸性高錳酸鉀溶液反應，若裝置B中酸性高錳酸鉀溶液紫紅色變淺說明生成了SO₂，氫氣具有還原性，能夠使黑色的氧化銅還原成紅色的銅，所以D中黑色粉末變紅說明生成了H₂ ，
故答案為：B瓶中溶液紫紅色變淺說明生成了SO₂；裝置D中黑色粉末變紅說明生成了H₂ ；
（5）①H₂C₂O₄+MnO₄^-+H⁺-Mn²⁺+H₂O+，高錳酸根離子中Mn元素化合價由+7變為+2，化合價降低了5價，反應中高錳酸根離子被還原，則草酸中的C在反應中被氧化，草酸中C的化合價為+3價，只能被氧化成二氧化碳氣體，所以未知物為二氧化碳，草酸被氧化成二氧化碳，化合價升高至少升高（4-3）×2=2價，化合價變化的最小公倍數為10，則高錳酸根離子化學計量數為2，草酸的計量數為5，然后利用電荷守恒及觀察法配平其它物質，配平后的反應方程式為：5H₂C₂O₄+2MnO₄^-+6H⁺=2Mn²⁺+8H₂O+10CO₂，
故答案為：5；2；6；2；8；10CO₂；
②滴定結束前溶液為紫紅色，滴定結束后溶液紫紅色褪去，所以滴定終點現象為：滴入最后一滴H₂C₂O₄溶液時KMnO₄溶液的紫紅色褪去且半分鐘之內不恢復，
故答案為：滴入最后一滴H₂C₂O₄溶液時KMnO₄溶液的紫紅色褪去且半分鐘之內不恢復；
③草酸的物質的量為：0.2mol/L×0.01563L=0.003126mol，根據反應5H₂C₂O₄+2MnO₄^-+6H⁺=2Mn²⁺+8H₂O+10CO₂，草酸消耗的高錳酸根離子的物質的量為：0.003216mol×

2

5

≈0.00125mol，25mL反應后的溶液中高錳酸根離子減少的物質的量為：0.1mol/L×0.0025L-0.0125mol=0.00125mol，則二氧化硫總的消耗的高錳酸根離子的物質的量為：0.00125mol×

200mL

25mL

=0.01mol，根據反應5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺，反應生成的二氧化硫的物質的量為：0.01mol×

5

2

=0.025mol；
裝置D的質量減少0.8g，氧化鐵與氫氣反應，減少的質量為O的質量，與氫氣反應的O的物質的量為：

0.8g

16g/mol

=0.05mol，根據反應的關系式CuO～H₂可知，氫氣的物質的量也為0.05mol，所以混合氣體中二氧化硫的體積分數為：

0.025mol

0.025mol+0.05mol

×100%=33.3%，
故答案為：0.025 mol；33.3%．

點評：本題考查濃硫酸的性質、氧化還原反應的配平、中和滴定及化學計算，題目難度較大，注意掌握濃硫酸與銅、鐵在加熱條件下反應原理，能夠根據氧化還原反應中化合價升降相等配平方程式，（5）為難點和易錯點，注意明確反應原理及計算方法．