Question

19．天然氣的主要成分是甲烷（CH₄）．
I．化學(xué)興趣小組的同學(xué)對甲烷燃燒的產(chǎn)物產(chǎn)生了興趣：
【提出問題】甲烷燃燒后生成哪些物質(zhì)？
【查閱資料】含碳元素的物質(zhì)完全燃燒生成CO₂，不完全燃燒生成CO；無水CuSO₄遇水變藍(lán)．
【猜想與假設(shè)】甲 CO₂、H₂O；乙 CO、H₂O；丙 NH₃、CO₂、H₂O；丁 CO₂、CO、H₂O．
你認(rèn)為丙同學(xué)的猜想是錯誤的，理由是化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不變而反應(yīng)前不含氮元素，生成物中不可能生成氨氣．
【實(shí)驗(yàn)探究】為了驗(yàn)證上述猜想與假設(shè)，將甲烷在一定量的O₂中燃燒的產(chǎn)物依次通過如圖1所示裝置：

（1）A、B裝置的順序能否顛倒？否（填“能”或“否”）．
（2）實(shí)驗(yàn)中用純凈O₂而不用空氣的原因是空氣中含有CO₂和H₂O干擾對產(chǎn)物的鑒別．
（3）實(shí)驗(yàn)中觀察到A中無水CuSO₄變藍(lán)，B、D中澄清石灰水變渾濁，C中紅色粉末變成黑色，由此推斷丁同學(xué)猜想成立．
（4）請寫出C中紅色粉末變成黑色的化學(xué)方程式：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ 2Fe+3CO₂．
【反思與交流】為避免有毒的CO污染環(huán)境，所以含碳元素的物質(zhì)燃燒必須滿足的條件是氧氣充足．
Ⅱ．甲、乙兩位同學(xué)在學(xué)習(xí)甲烷性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)甲烷與氫氣和一氧化碳性質(zhì)上有很多相似之處，如密度比空氣小，難溶于水，具有可燃性等．但H₂和CO具有還原性，那么甲烷有沒有還原性呢？為了驗(yàn)證甲烷是否具有還原性，乙同學(xué)設(shè)計以下實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：
【實(shí)驗(yàn)裝置】

【實(shí)驗(yàn)步驟】（假設(shè)藥品都是足量的）
①分別稱量裝置A、B、C的質(zhì)量；
②再次分別稱量裝置A、B、C的質(zhì)量；
③向玻璃管中裝入CuO通一段時間的CH₄
④停止加熱，繼續(xù)通入CH₄至冷卻到室溫；
⑤緩緩?fù)ㄈ胱懔康腃H₄，加熱裝置A，使其充分反應(yīng)
其合理的操作順序是①③⑤④②（填序號）．甲同學(xué)認(rèn)為還缺少一個步驟，缺少的步驟是甲烷中含有氫元素．
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】乙同學(xué)按照正確的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)
①裝置A中的黑色粉末變紅；裝置B中白色粉末變藍(lán)；裝置C中石灰水變渾濁
②稱量數(shù)據(jù)如表所示．

	A中玻璃管（含藥品）質(zhì)量	裝置B的質(zhì)量	裝置C的質(zhì)量
反應(yīng)前	150g	156.6g	256.8g
反應(yīng)后	147.2g	158.4g	257.9g

【現(xiàn)象分析與數(shù)據(jù)處理】
根據(jù)裝置A、B、C中的現(xiàn)象可推知，CH₄與CuO充分反應(yīng)后的產(chǎn)物依次是Cu、H₂O、CO₂．
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】①CH₄有（填“有”或“沒有”）還原性．②根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，甲同學(xué)提出甲烷與氧化銅的產(chǎn)物中還含有CO．
③裝置A中發(fā)生的反應(yīng)方程式為2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+4H₂O+CO+CO₂ ．

Answer 1

分析 I．【猜想與假設(shè)】：根據(jù)質(zhì)量守恒定律考慮；
【實(shí)驗(yàn)探究】
（1）根據(jù)顛倒后的后果考慮；
（2）根據(jù)空氣與純凈氧氣的區(qū)別考慮；
（3）根據(jù)無水CuSO₄變藍(lán)，B、D中澄清石灰水變渾濁，C中紅色粉末變成黑色分析出氣體成分；
（4）根據(jù)方程式的寫法考慮．
Ⅱ．【設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟】根據(jù)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)及結(jié)合一氧化碳實(shí)驗(yàn)的步驟分析：檢查裝置的氣密性→通氣→加熱→停氣；
【現(xiàn)象分析與數(shù)據(jù)處理】根據(jù)裝置A中的黑色粉末變紅；裝置B中白色粉末變藍(lán)；裝置C中石灰水變渾濁對產(chǎn)物作出判斷；
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論；根據(jù)表格物質(zhì)的作用及數(shù)據(jù)推測產(chǎn)物并寫出反應(yīng)的方程式．

解答 解：
I．【猜想與假設(shè)】
根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不變，反應(yīng)物中是甲烷和氧氣，不含有氮元素，生成物中不可能生成氨氣，所以丙假設(shè)錯誤；
【實(shí)驗(yàn)探究】
（1）如果順序顛倒，由于石灰水中有水，就不能證明混合氣體中是否有水；
（2）由于空氣中含有水分和二氧化碳，用空氣就無法驗(yàn)證混合氣體中是否含有水和二氧化碳，因?yàn)榈降资腔旌蠚怏w中的水和二氧化碳，還是空氣中的水和二氧化碳，無法確定；
（3）A中無水CuSO₄變藍(lán)說明混合氣體中有水，B中石灰水變渾濁說明混合氣體中含有二氧化碳，B中石灰水有兩個作用：驗(yàn)證二氧化碳的存在，除去二氧化碳；D中澄清石灰水變渾濁，C中紅色粉末變成黑色說明具有還原性氣體，且與氧化鐵反應(yīng)能生成二氧化碳，所以說明混合氣體中含有一氧化碳；
（4）B中澄清石灰水變渾濁的反應(yīng)物是氫氧化鈣和二氧化碳，生成物是碳酸鈣沉淀和水，碳酸鈣后面標(biāo)上沉淀符號；C中紅色粉末變成黑色的反應(yīng)物是一氧化碳和氧化鐵，生成物是鐵和二氧化碳，用得失氧進(jìn)行配平，反應(yīng)條件是高溫，寫在等號的上邊．由于可燃物不完全燃燒能生成一氧化碳，污染環(huán)境，所以要讓可燃物完全燃燒，所以需要充足的氧氣．
Ⅱ．【設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟】在連接好儀器后需要檢查裝置的氣密性，防止裝置漏氣；根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要通過質(zhì)量的改變得出結(jié)論，因此需要先分別稱量裝置A、B、C的質(zhì)量；向玻璃管中裝入CuO通一段時間的CH₄，以排凈裝置內(nèi)的空氣，防止加熱時發(fā)生爆炸；然后緩緩?fù)ㄈ胱懔康腃H₄，加熱裝置A，使其充分反應(yīng)；等反應(yīng)完再停止加熱，繼續(xù)通入CH₄至冷卻到室溫，防止銅重新被氧化；最后再次分別稱量裝置A、B、C的質(zhì)量，通過數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行計算；故順序?yàn)�；①③⑤④②�?br />【現(xiàn)象分析與數(shù)據(jù)處理】根據(jù)裝置A中的黑色粉末變紅；裝置B中白色粉末變藍(lán)；裝置C中石灰水變渾濁對產(chǎn)物，說明分別產(chǎn)生了Cu  H₂O  CO₂；
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】①通過實(shí)驗(yàn)說明甲烷具有還原性；根據(jù)質(zhì)量守恒定律，生成的二氧化碳中碳元素的質(zhì)量為0.3g，生成的水中氫元素的質(zhì)量為0.2g，C：H=3：2 而甲烷中C：H=4：1，因此還生成CO；
②通過實(shí)驗(yàn)及計算甲烷和氧化銅加熱生成了銅、水、二氧化碳和一氧化碳，故反應(yīng)的方程式為：2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+4H₂O+CO+CO₂．
故答案為：
I．【猜想與假設(shè)】
丙、化學(xué)反應(yīng)前后元素的種類不變而反應(yīng)前不含氮元素，生成物中不可能生成氨氣；
【實(shí)驗(yàn)探究】
（1）否；                       
（2）空氣中含有CO₂和H₂O干擾對產(chǎn)物的鑒別；
（3）�。�                                  
（4）Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$  2Fe+3CO₂；
[反思與交流]氧氣充足．
Ⅱ．【設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟】①③⑤④②；檢查裝置的氣密性
【現(xiàn)象分析與數(shù)據(jù)處理】Cu H₂O CO₂；
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】①有；CO；
②2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+4H₂O+CO+CO₂

點(diǎn)評 本題是關(guān)于甲烷的還原性的實(shí)驗(yàn)探究，考查了質(zhì)量守恒定律的運(yùn)用及實(shí)驗(yàn)的步驟、物質(zhì)的性質(zhì)等，可依據(jù)一氧化碳還原氧化鐵的步驟及實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)完成，難度較大．