Question

小王同學對化學充滿了興趣，喜歡做各種實驗．有一次他和其它同學對鎂進行了一些研究：
【Ⅰ】他們用砂紙打磨掉表面灰黑色的物質(zhì)，將其放入水中，未看到有明顯的現(xiàn)象，改用酒精燈加熱后，觀察到表面有大量氣泡，經(jīng)驗是氫氣．他們又向溶液中滴加無色酚酞試液，發(fā)現(xiàn)酚酞變成紅色，說明有

OH^-

產(chǎn)生．該實驗表明化學反應的發(fā)生和速率與

溫度

有關，許多物質(zhì)的

反應速度

隨溫度的升高而增大．
【Ⅱ】該小組成員開始研究鎂帶表面的灰黑色物質(zhì)，小王大膽提出了三個假設：
假設1該物質(zhì)是MgO；假設2該物質(zhì)是Mg（OH）₂；假設3鎂可能會象銅一樣生成堿式碳酸鎂．
但其它同這立即否定了他的假設1和2，因為根據(jù)所學的知識MgO，Mg（OH）₂都是

白

色固體．對于假設3，他們設計了如下方案

實驗方案	實驗現(xiàn)象	實驗結論
		證明有CO32-
取樣于試管，加熱		證明有氫元素

【III】他們在取鎂帶表面灰黑色樣品時感到比較困難，索性將表面發(fā)黑的鎂帶全部磨成粉末，放入干燥的硬質(zhì)試管中加熱，一段時間后，鎂粉突然出現(xiàn)紅熱燃燒起來，反應停止后有少量黑色物質(zhì)A粘在試管壁上，這黑色物質(zhì)A中混有什么？他們查資料篩選出幾條有價值的信息：
（1）2Mg+CO₂=2MgO+C； （2）C+2H₂SO₄（濃）=CO₂↑+SO₂↑+H₂O；（3）SO₂+Ca（OH）₂=CaSO₃↓（白）+H₂O．
試分析A物質(zhì)為

C

，根據(jù)上述信息，他們又設計了下列實驗，幫助他們完成實驗報告：

實驗方案	實驗現(xiàn)象	實驗結論
取反應后試管內(nèi)樣品，先滴加過量的 稀硫酸	固體部分溶解
再 加熱  （填一具體的實驗操作）	黑色固體全部溶解

【Ⅳ】為驗證碳和濃硫酸反應的三種產(chǎn)物，應將氣體通過下列三種試劑（假設每步均完全）即：
氣體→

無水硫酸銅

→

高錳酸鉀溶液

→

澄清石灰水

；
（現(xiàn)象依次為）

白色固體變藍

、

紫紅色褪去

、

澄清石灰水變渾濁

【V】該興趣小組的同學進一步又查出胃藥堿式碳酸鎂有多種不同的組成，如Mg₂（OH）₂CO₃、Mg₄（OH）₂（CO₃）₃、Mg₅（OH）₂（CO₃）₄等．小紅同學為確定堿式碳酸鎂的組成，設計如圖所示的實驗：

實驗步驟（1）按圖組裝置后，首先進行的操作是

檢查裝置的氣密性

．E處干燥管內(nèi)盛放的藥品是

堿石灰

，其作用是

防止空氣中的水蒸氣進入裝置

．
實驗步驟（2）稱取樣品31g，并將其放入硬質(zhì)玻璃管中，稱量裝濃硫酸的洗氣瓶C的質(zhì)量為87.6g，裝堿石灰的U型管D的質(zhì)量為74.7g．
實驗步驟（3）打開活塞

K₁K₂

，關閉

K₃

，緩慢鼓入空氣數(shù)分鐘．
實驗步驟（4）關閉活塞

K₁K₂

，打開

K₃

，點燃酒精燈加熱至不再產(chǎn)生氣體為止．
實驗步驟（5）打開活塞K1，緩緩鼓入空氣數(shù)分鐘，然后拆下裝置，稱得洗氣瓶C的質(zhì)量為89.4g，U型管D的質(zhì)量為87.9g，則該堿式碳酸鎂的化學式為

Mg₄（OH）₂CO₃

．
【Ⅵ】小明認為其化學式可用Mgx（OH）₂（CO₃）y表示，根據(jù)化合價規(guī)律，x和y的關系是

x=y+1

，寫出該物質(zhì)分解的方程式：

Mgx（OH）₂（CO₃）_y

△   .

xMgO+H₂O+yCO₂↑

小明設計了兩套方案（忽略裝置中原來的氣體）
方案I：只測定分解后生成的水，連接方案是A→C→B，則C中盛放的藥品是

濃硫酸

，B中盛放的藥品是

氯化鈣固體

方案II：只測定分解生成的CO₂的質(zhì)量，連接方案是A→C→B→C，則B中的藥品是

堿石灰

，最后連接的C中的藥品是

氫氧化鈉溶液

請你設計出更簡單的實驗方法

加熱堿式碳酸鎂稱量反應前后固體質(zhì)量

．

若取樣品7.88克，方案I測得生成水0.36g，方案II測得生成CO₂ 3.52g，請你選擇實驗數(shù)據(jù)，通過計算得出堿式碳酸鎂的化學式．

Answer 1

分析：【I】依據(jù)敘述的信息以及反應進行時的條件變化分析解答即可；
【II】依據(jù)氧化鎂氫氧化鎂的認識結合碳酸根和氫元素的鑒定方式解決即可；
【III】利用題干中提供的相關反應的信息結合有關物質(zhì)的物理性質(zhì)對實驗過程進行分析探討即可；
【IV】依據(jù)物質(zhì)檢驗的一般規(guī)律以及反應的現(xiàn)象對問題進行分析探討即可；
【V】根據(jù)反應過程的要求對實驗步驟進行判斷，根據(jù)生成的水與二氧化碳的質(zhì)量推斷堿式碳酸鎂的化學式．
【VI】依據(jù)堿時碳酸鎂分解的產(chǎn)物情況結合相關的吸收裝置的使用要求以及化學方程式的相關計算分析解答即可；

解答：解：【I】依據(jù)敘述的信息中加熱前后反應的情況可知該反應的速度與溫度有關，滴加酚酞溶液變紅說明溶液呈堿性，說明該反應生成了氫氧根；
【II】由所學可知氧化鎂氫氧化鎂均是白色固體，所以灰黑色固體一定不是這兩者，要想證明溶液中含有碳酸根離子可對該物質(zhì)加稀鹽酸進行檢驗，如果加入鹽酸有氣泡生成則證明含有碳酸根，如果固體加熱時生成水珠，則證明固體中含有氫元素；
【III】根據(jù)題干中提供的相關反應以及物質(zhì)的性質(zhì)可知，該黑色物質(zhì)只能是碳，由于所列物質(zhì)中只有氧化鎂能與稀硫酸反應而溶解，所以加入稀硫酸固體部分溶解，能證明固體中含有氧化鎂；加熱后稀硫酸轉化成了濃硫酸，碳能與之反應，所以黑色固體全部溶解，證明固體中含有碳；
【IV】檢驗C+2H₂SO₄（濃）=CO₂↑+SO₂↑+H₂O反應的三種產(chǎn)物時首先應該檢驗水的存在，采用無水硫酸銅即可，因為無水硫酸銅遇水會變藍，而后檢驗二氧化硫的存在，由于二氧化硫具有漂白的作用，所以可使氣體通過紫色的高錳酸鉀溶液，如果紫紅色褪去，則證明二氧化硫的存在；二氧化碳的存在鑒定可使其通過澄清石灰水完成，如果石灰水變渾濁，則二氧化碳存在；
【V】改裝置使用時必須密封進行，所以實驗前一定要先檢查裝置的氣密性，因為D裝置是檢驗生成二氧化碳的質(zhì)量，所以不能讓空氣中的二氧化碳進入干擾測量的結果，因此E裝置中也要放入堿石灰以防止二氧化碳的進入；
實驗步驟3應先打開K₁K₂，關閉K₃，鼓入空氣數(shù)分鐘排凈原來裝置內(nèi)的空氣，以防止原有空氣中的水蒸氣以及二氧化碳對實驗的干擾，再關閉K₁K₂，點燃酒精燈加熱至不再產(chǎn)生氣體為止．
根據(jù)裝濃硫酸的洗氣瓶C的質(zhì)量變化為89.4g-87.6g=1.8g，裝堿石灰的U型管D的質(zhì)量變化為87.9g-74.7g=13.2g．則反應生成的水的質(zhì)量是1.8g與二氧化碳的質(zhì)量是13.2g．
則氧化鎂的質(zhì)量為31g-1.8g-13.2g=16g，所以該物質(zhì)中鎂的質(zhì)量分數(shù)為

16g× 24 24+16

31g

×100%≈31%，而Mg₂（OH）₂CO₃、Mg₄（OH）₂（CO₃）₃、Mg₅（OH）₂（CO₃）₄三物質(zhì)中鎂的質(zhì)量分數(shù)分別為

24×2

24×2+2×(16+1)+12+16×3

×100%=33.8%；

24×4

24×4+2×(16+1)+3×(12+16×3)

×100%≈31%；

24×5

24×5+2×(16+1)+4×(12+16×3)

×100%≈26.7%；所以該物質(zhì)是Mg₄（OH）₂（CO₃）₃；
【VI】因為化合物中各元素的化合價代數(shù)和為零，所以由化學式Mgx（OH）₂（CO₃）y可知（+2）x+（-1）×2+（-2）×y=0，則知x和y的關系是x=y+1，則Mgx（OH）₂（CO₃）_y分解的方程式為：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y

△   .

xMgO+H₂O+yCO₂↑．
方案I：只測定分解后生成的水，連接方案是A→C→B，則C中盛放的藥品應該是液態(tài)的濃硫酸，而B中則應是能阻擋外界空氣中水蒸氣進入的干燥劑氯化鈣固體；
方案II：只測定分解生成的CO₂的質(zhì)量，連接方案是A→C→B→C，則B中的藥品是能吸收二氧化碳的堿石灰，最后連接的C中的藥品是防止空氣中二氧化碳進入的氫氧化鈉溶液；
以上方式是利用水與二氧化碳的質(zhì)量對化學式進行判斷，更簡單的做法可采用加熱堿式碳酸鎂稱量反應前后固體質(zhì)量的方式對化學式進行判斷；
依據(jù)x=y+1利用水與二氧化碳的質(zhì)量可知氧化鎂的質(zhì)量為7.88g-0.36g-3.52g=4g則有：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y 的化學式可寫為 Mg_（y+1）（OH）₂（CO₃）_y，則依據(jù)鎂元素的質(zhì)量分數(shù)可列等式

4g× 24 16+24

7.88g

=

24×(y+1)

24×(y+1)+17×2+(12+16×3)y

解的y=4，則x=y+1=4+1=5，所以該物質(zhì)的化學式為Mg₅（OH）₂（CO₃）₄
故答案為：【I】OH^-；溫度；反應速度；
【II】白色，

實驗方案	實驗現(xiàn)象	實驗結論
取樣于試管中滴加稀鹽酸	有氣泡冒出	證明有CO32-
取樣于試管，加熱	有水珠生成	證明有氫元素

【III】C；

實驗方案	實驗現(xiàn)象	實驗結論
稀硫酸	固體部分溶解	固體中含有氧化鎂
加熱	黑色固體全部溶解	固體中含有碳

【IV】無水硫酸銅；高錳酸鉀溶液；澄清石灰水；白色固體變藍；紫紅色褪去；澄清石灰水變渾濁
【V】檢查裝置的氣密性；堿石灰；防止空氣中的水蒸氣進入裝置；K₁K₂；K₃；K₁K₂；K₃；Mg₄（OH）₂（CO₃）₃；
【VI】x=y+1；Mgx（OH）₂（CO₃）_y

△   .

xMgO+H₂O+yCO₂↑．濃硫酸；氯化鈣固體；堿石灰，氫氧化鈉溶液；可采用加熱堿式碳酸鎂稱量反應前后固體質(zhì)量；
依據(jù)x=y+1利用水與二氧化碳的質(zhì)量可知氧化鎂的質(zhì)量為7.88g-0.36g-3.52g=4g則有：
Mgx（OH）₂（CO₃）_y  的化學式可寫為  Mg_（y+1）（OH）₂（CO₃）_y，則依據(jù)鎂元素的質(zhì)量分數(shù)可列等式

4g× 24 16+24

7.88g

=

24×(y+1)

24×(y+1)+17×2+(12+16×3)y

解的y=4，則x=y+1=4+1=5，所以該物質(zhì)的化學式為Mg₅（OH）₂（CO₃）₄．

點評：本題通過提出問題、做出猜想、設計實驗方案、進行實驗等環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了科學探究的一般過程．但本題計算量較大，要求學生對知識掌握程度較高，是一道綜合性較強的題目的難題．