Question

某研究性學習小組為了研究Cu與濃H₂SO₄的反應和比較Cu的+1價化合物與+2價化合物的穩定性，設計如下實驗探究方案（裝置中的固定儀器和酒精燈均未畫出）實驗選用細銅絲、98.3%H₂SO₄、品紅溶液、澄清石灰水、CCl₄、NaOH溶液等藥品，銅絲被卷成螺旋狀，一端投入濃H₂SO₄中，另一端露置在液面上方．

以下是該學習小組部分交流記錄及后續探究實驗的記錄．
材料一：小組交流記錄
學生1：加熱前，無現象發生；加熱后，液面下銅絲變黑，產生氣泡，有細小黑色顆粒狀物質從銅絲表面進入濃硫酸中，黑色物質是什么？值得探究！
學生2：我也觀察到黑色顆粒狀物質，后來逐漸轉變為灰白色固體，我想該灰白色固體極有可能是未溶于濃硫酸的CuSO₄．
學生3：你們是否注意到液面以上的銅絲也發黑，而且試管上部內壁有少量淡黃色S固體凝聚，會不會液面以上的銅絲與硫發生了反應，我查資料發現：2Cu+S

V  .

Cu₂S（黑色）
材料二、探究實驗剪輯
實驗1：將光亮的銅絲在酒精燈火焰上灼燒變黑，然后插入稀硫酸中，銅絲重新變得光亮，溶液呈藍綠色；將光亮的銅絲置入加熱的硫蒸氣中變黑，然后插入稀硫酸中無變化．
實驗2：截取濃硫酸液面上方變黑的銅絲，插入稀硫酸中無變化；將濃硫酸液面下方變黑的銅絲，插入稀硫酸、黑色明顯變淺，溶液呈藍綠色．
實驗3：將溶液中的黑色顆粒狀物質，經過濾、稀硫酸洗、蒸餾水洗、干燥后放入氧氣流中加熱，然后冷卻，用電子天平稱重發現質量減小10%左右．
根據上述材料回答下列問題：
（1）A試管上方的長導管的作用是；

導氣、冷凝、回流

；D、E兩支試管中CCl₄
的作用是

防止倒吸

．
（2）加熱過程中，觀察到A試管中出現大量白色煙霧，起初部分煙霧在試管上部內壁析出淡黃色固體物質，在持續加熱濃硫酸（沸騰）時，淡黃色固體物質又慢慢地消失．寫出淡黃色固體消失的化學反應方程式：

S+2H₂SO₄（濃）

△   .

3SO₂↑+2H₂O

．
（3）對A試管中的濃H₂SO₄和銅絲進行加熱，很快發現C試管中品紅溶液褪色，但始終未見D試管中澄清石灰水出現渾濁或沉淀．學生1猜想是由于SO₂溶解度較大，生成了Ca（SHO₃）₂的緣故．請你設計實驗驗證學生1的猜想

取樣后，向其中加氫氧化鈉溶液，觀察是否有沉淀生成（其他答案也合理）

．
（4）根據上述研究，結合所學知識，你認為液面下方銅絲表面的黑色物質成分是：

CuO、CuS、Cu₂S

．（寫化學式）
（5）學生2將反應后的反應液稀釋后進行檢驗，發現溶液呈酸性，對比，學生2提出猜想是：銅與濃硫酸反應生成的硫酸銅水解使溶液呈酸性，請寫出該水解反應的離子方程式：

Cu²⁺+H₂OCu（OH）₂+2H⁺

．
你的猜想是：

銅和濃硫酸反應的實驗中硫酸過量使溶液顯酸性

；
請你設計一個簡單的實驗以驗證你的猜想：

取稀釋后的溶液適量于試管中，加入足量的鐵粉，若有無色無味的氣體產生，證明硫酸過量（其他答案也合理）

．
（6）該研究性學習小組的同學為了比較Cu的+1價化合物和+2價化合物的穩定性，他們取98gCu（OH）₂固體，加熱至80℃-100℃時，得到黑色固體粉末，繼續加熱到1000℃以上，黑色粉末全部變成紅色粉末X．冷卻后稱量，X的質量為72g．向X中加入過量稀硫酸，得到藍色溶液，同時觀察到容器中還有紅色固體存在，據此可推得，X的化學式為

Cu₂O

，可以得出的結論是

高于100°C時Cu₂O比CuO穩定，在溶液中Cu²⁺比Cu⁺穩定

．

Answer 1

分析：（1）長導管除了導氣作用之外，還可以讓氣體冷凝，回流；二氧化硫和強堿的反應十分劇烈，要注意防止倒吸現象的發生；
（2）硫在加熱時能和濃硫酸反應；
（3）酸式鹽和強堿中的氫氧根反應能得到正鹽；
（4）含有銅元素的常見黑色物質有CuO、CuS、Cu₂S，結合實際來回答；
（5）銅離子是弱堿陽離子，有弱就水解，水解顯酸性，根據實驗實際情況來判斷溶液顯酸性的可能原因并進行試驗驗證；
（6）根據質量關系結合原子守恒來判斷物質的組成情況，根據物質轉化的條件和存在的狀態來判斷其穩定性．

解答：解：（1）根據實驗裝置，長導管的作用一定是能導氣，但氣體在導管中時間一長就會冷凝，回流，二氧化硫和強堿的反應十分劇烈，可以采用四氯化碳的作用來達到防止倒吸現象的發生的目的，
故答案為：導氣、冷凝、回流；防止倒吸；
（2）濃硫酸具有強氧化性，硫在加熱時能和濃硫酸反應，
故答案為：S+2H₂SO₄（濃）

△   .

3SO₂↑+2H₂O；
（3）Ca（HSO₃）₂能和強堿反應生成溶解度較小的亞硫酸鈣，故答案為：取樣后，向其中加氫氧化鈉溶液，觀察是否有沉淀生成；
（4）將濃硫酸液面下方變黑的銅絲，插入稀硫酸、黑色明顯變淺，溶液呈藍綠色，說明黑色物質部分溶于稀硫酸，
故答案為：CuO、CuS、Cu₂S；
（5）銅離子是弱堿陽離子，有弱就水解，水解顯酸性，方程式為：Cu²⁺+H₂OCu（OH）₂+2H⁺；溶液顯酸性的可能原因是硫酸過量，可以加入金屬鐵來檢驗溶液中氫離子的存在，
故答案為：Cu²⁺+H₂OCu（OH）₂+2H⁺；銅和濃硫酸反應的實驗中硫酸過量使溶液顯酸性；取稀釋后的溶液適量于試管中，加入足量的鐵粉，若有無色無味的氣體產生，證明硫酸過量（其他答案也合理）；
（6）98gCu（OH）₂固體加熱至80℃-100℃時，得到黑色固體粉末為氧化銅80g，加熱到1000℃以上，黑色粉末氧化銅全部變成紅色粉末其質量為72g，根據2CuO～Cu₂O知，X恰好為Cu₂O，根據題目信息：Cu（OH）₂固體加熱至80℃-100℃時，得到黑色固體粉末為氧化銅，加熱到1000℃以上，得到的是氧化亞銅，可知高于100°C時Cu₂O比CuO穩定，將黑的銅絲，插入稀硫酸、黑色明顯變淺，溶液呈藍綠色，說明在溶液中Cu²⁺比Cu⁺穩定，
故答案為：Cu₂O；高于100°C時Cu₂O比CuO穩定，在溶液中Cu²⁺比Cu⁺穩定．

點評：本題是有關銅及其化合物之間的轉化知識的綜合題目，考查角度廣，難度很大．