Question

一碳化學(xué)是以分子中只含一個碳原子的化合物（如CO、CH₄等）為原料來合成一系列化工原料和燃料的化學(xué)．
（1）工業(yè)上用天然氣和水蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)，得到CO和H₂，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為

 

，得到的CO和H₂的混合氣被稱為合成氣，合成氣在工業(yè)上可用于合成一系列化工原料和新型燃料，還可用于冶煉某些金屬．
（2）某他學(xué)興趣小組的同學(xué)在實驗室模擬了合成氣的制備，并設(shè)計實驗驗證合成氣的還原性．
I．用甲烷和水蒸氣在高溫條件下反應(yīng)得到合成氣．根據(jù)（1）中所寫的化學(xué)方程式．合成氣中CO和H₂的質(zhì)量比為

 

．
Ⅱ．用合成氣還原足量氧化銅．實驗裝置如下圖所示：

[設(shè)計買驗步驟]
①連接好裝置并檢查氣密性．
②裝入藥品，通人一段時間合成氣．
③分別稱量裝置D、E的質(zhì)量．
④緩緩?fù)ㄈ牒铣蓺猓�加熱裝置C，使其充分反應(yīng)．
⑤停止加熱，繼續(xù)通入合成氣至恢復(fù)到室溫．
⑥再次分別稱量裝置D、E的質(zhì)量．
[完善實驗設(shè)計]經(jīng)過討論同學(xué)們認為，裝置E后還應(yīng)添加一個酒精燈，并在實驗步驟

 

（填實驗步驟的序號）中點燃（點燃前應(yīng)對氣體驗純）．
[進行實驗]該小組的同學(xué)按上述步驟進行實驗，并記錄了實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)：
①裝置C中出現(xiàn)

 

色物質(zhì)．
②稱量數(shù)據(jù)如表所示．

	裝置D的質(zhì)量	裝置E的質(zhì)量
反應(yīng)前	292.4g	198.2g
反應(yīng)后	296.0g	201.5g

[現(xiàn)象分析和數(shù)據(jù)處理]
①甲同學(xué)根據(jù)裝置C中的現(xiàn)象，認為是合成氣中的CO和H₂還原了CuO．
②乙同學(xué)通過對上表數(shù)據(jù)的分析，推測除了CO和H₂以外，制得的合成氣中可能還有未反應(yīng)的CH₄，且CH₄也還原了CuO．試通過計算說明他的推測依據(jù)．
③丙同學(xué)提出，實驗步驟⑤中通入的氣體會帶走裝置E中的部分水蒸氣，使實驗產(chǎn)生誤差．你認為該誤差對乙同學(xué)的推測結(jié)果是否有影響？

 

（選填“是”或“否”，并說明理由）．
[拓展探究]該小組同學(xué)對于CH₄是否真的能夠還原氧化銅提出了質(zhì)疑并進行探究．
查閱資料：甲烷具有還原性，可以還原氧化銅，生成CO₂和H₂O；白色的無水硫酸銅遇水會變成藍色．
實驗設(shè)計：該小組同學(xué)擬用純凈的甲烷氣體和如下裝置進行實驗．

①上圖裝置F中盛放的試劑名稱是

 

．
②上圖裝置的正確連接順序是

 

（填字母，且每套裝置限用一次）．
[實驗反思]除了可能是CH₄也還原了CuO外，出現(xiàn)上表數(shù)據(jù)關(guān)系還可能是因為

 

（寫出一個原因，并說明理由）．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)題中信息結(jié)合方程式書寫要點書寫．
（2）I．根據(jù)化學(xué)方程式的意義來分析求解．
Ⅱ．[完善實驗設(shè)計]可分析各裝置中發(fā)生反應(yīng)的條件即可．
[進行實驗]①可根據(jù)反應(yīng)中各物質(zhì)的物性來分析．
[現(xiàn)象分析和數(shù)據(jù)處理]
②分析表中數(shù)據(jù)可知生成物中CO₂、H₂O的質(zhì)量，采用極端分析法討論若全部是CO和H₂參與反應(yīng)得到的CO₂、H₂O的質(zhì)量比與全部是甲烷參與反應(yīng)得到的二者相比較來分析．
③若帶著E裝置中的部分水蒸氣，對實驗數(shù)據(jù)來說就是測得的H₂O的質(zhì)量將減�。�即CO₂和H₂O的質(zhì)量比增大，可以和實際試驗數(shù)據(jù)相比較進行分析．
[拓展探究]
①要證明CH₄參與反應(yīng)，就是要證明反應(yīng)后生成了CO2和H₂O．
②根據(jù)反應(yīng)過程來確定順序，一般驗證氣體先驗證水蒸氣，因為中間反應(yīng)可能帶入水汽．
[實驗反思因為合成氣中有CH₄、CO、H₂O，是混合氣參與的反應(yīng)，參加反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量比并不是定值．

解答：解：（1）根據(jù)題意，生成物是CO和H₂，條件是高溫，根據(jù)方程式書寫要求可以寫出．CH₄+H₂O

高溫  .

CO+3H₂
（2）I．根據(jù)化學(xué)方程式知CO和H2的質(zhì)量比=28：（2×3）=14：3
Ⅱ．[完善實驗設(shè)計]分析所用各裝置中的反應(yīng)條件可知，裝置C中氫氣和氧化銅反應(yīng)需要加熱，對應(yīng)實驗步驟為②．
[進行實驗]
①反應(yīng)后裝置C中黑色的氧化銅逐漸變?yōu)榧t色的銅，所以裝置C中的固體是銅，為紅色．
[現(xiàn)象分析和數(shù)據(jù)處理]
②如果只有CO和H₂，還原足量CuO，合成氣中CO與H₂的分子個數(shù)比為1：3．生成物中碳元素與氫元素的質(zhì)量比為2：1；如果只有CH₄還原足量CuO，生成物中碳元素與氫元索的質(zhì)量比為3：1．現(xiàn)測得CO₂的質(zhì)量：201.5g-198.2g=3.3g，H₂0的質(zhì)量：296.0g一292.4g=3.6g
生成物中碳元素與氫元素的質(zhì)量比：（3?3g×

12

44

）：（3.6g×

2

18

）=9：4，9；4介于2：1和3：1之間，由此可推測出，除了CO和H₂以外，制得的合成氣中可能還有來反應(yīng)的CH₄，且CH₄也還原了CuO
③否．因為帶走水蒸氣會使測得的CO₂質(zhì)量偏低，而實際測得的生成物中碳、氫元素的質(zhì)量比已經(jīng)大于2：1，所以對推測結(jié)果無影響．
[拓展探究]要證明甲烷還原氧化銅，只要證明生成物中有CO₂和H₂O生成即可，所以F裝置應(yīng)是檢驗CO₂生成的，用澄清石灰水．裝置H是還原CuO，G是用來證明水的生成，F(xiàn)是證明二氧化碳生成，I是處理尾氣，所以順序為HGFI．
[實驗反思]因為本題是定量性實驗，反應(yīng)物是混合物，在以上的討論中對反應(yīng)物參加的可能性進行了分析證明，影響生成物的質(zhì)量變化的還有參加反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量大小以及反應(yīng)過程中是否全部參與反應(yīng)．所以可以從這兩方面進行分析證明．
故答案為：
（1）CH₄+H₂O

高溫  .

CO+3H₂
（2）I．14：3
Ⅱ．[完善實驗設(shè)計]②
[進行實驗]紅
[現(xiàn)象分析和數(shù)據(jù)處理]
    ②如果只有CO和H．還原足量CuO，合成氣中CO與H₂的分子個數(shù)比為1：3．生成物中碳元素與氫元素的質(zhì)量比為2；1
    如果只有CH₄還原足量CuO，生成物中碳元素與氫元索的質(zhì)量比為3：1
    現(xiàn)測得CO₂的質(zhì)量：201.5g-198.2g=3.3g  H₂0的質(zhì)量：296.0g一292.4g=3.6g
    生成物中碳元索與氫元索的質(zhì)量比：（3?3g×

12

44

）：（3.6g×

2

36

）=9：4
    9；4介于2：1和3：1之間
    由此可推測出，除了CO和H₂以外，制得的合成氣中可能還有來反應(yīng)的CH₄，且CH₄也還原了CuO．
    ③否．因為帶走水蒸氣，將會導(dǎo)致E裝置的質(zhì)量增加減小，從而會使測得的CO₂質(zhì)量偏低，（二氧化碳的質(zhì)量就是兩次稱量E裝置的質(zhì)量差），而實際測得的生成物中碳、氫元素的質(zhì)量比已經(jīng)大于2：1，所以對推測結(jié)果無影響．
[拓展探究]澄清石灰水    H G F I 
[實驗反思]因為根據(jù)測得數(shù)據(jù)計算，生成物中碳、氧元素的質(zhì)量比值2：1，所以可能是合成氣中參與反應(yīng)的CO與H₂
分子個數(shù)比大于1：3（或H₂未完全參加反應(yīng)、生成的水未被完全吸收等）．

點評：本題是一道綜合性實驗探究題，對培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力有一定的提高．