情境创设
2022年,我国祝融号火星车发现火星水活动迹象。科学家发现火星上有水的存在,那水的组成和结构到底是怎样的呢? 我们能否沿着拉瓦锡的思路来研究水的组成?
【知识回顾】著名化学家拉瓦锡用如图装置研究了空气的组成,请完成下列问题。
(1)整个研究过程涉及的两个化学反应的文字表达式分别是、。
(2)请你猜测拉瓦锡验证氧化汞分解的产物中有氧气的方法是。

(1) 汞+氧气$\xrightarrow{加热}$氧化汞、氧化汞$\xrightarrow{加热}$汞+氧气
(2) 将带火星的木条伸入容器中,若木条复燃,证明产物中有氧气

【分析】首先，拉瓦锡研究空气组成的实验涉及两个化学反应：一是汞与氧气在加热条件下化合生成氧化汞，二是氧化汞受热分解生成汞和氧气；对于氧气的检验，利用氧气能支持燃烧，可使带火星木条复燃的特性来设计验证方法。
【解析】(1) 拉瓦锡实验中，汞在加热条件下与氧气反应生成氧化汞，对应的文字表达式为：汞+氧气$\xrightarrow{加热}$氧化汞；氧化汞受热分解生成汞和氧气，对应的文字表达式为：氧化汞$\xrightarrow{加热}$汞+氧气。
(2) 由于氧气具有助燃性，能使带火星的木条复燃，因此验证氧化汞分解产物中存在氧气的方法是：将带火星的木条伸入容器中，若木条复燃，即可证明产物中有氧气。
【答案】(1) 汞+氧气$\xrightarrow{加热}$氧化汞、氧化汞$\xrightarrow{加热}$汞+氧气；(2) 将带火星的木条伸入容器中，若木条复燃，证明产物中有氧气
【知识点】化学反应文字表达式、氧气的检验
【点评】本题以拉瓦锡经典实验为载体，考查化学反应文字表达式的书写及氧气的检验方法，属于化学基础实验知识的考查，注重对经典实验原理的理解与应用。
【难度系数】0.6

任务一 从氢气的燃烧探究水的组成
“合”法验证（用化合反应探究物质组成）
1.氢气的物理性质。
| 颜色 | 气味 | 密度 | 是否溶于水 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 无色 | 无臭 | 比空气的密度 | |
2.氢气的验纯。
(1)原因:氢气中混有一定量的,遇明火时可能会发生爆炸。
(2)方法。

发出 ⇒气体不纯
声音 ⇒气体较纯
3.氢气的燃烧实验。
(1)实验现象。

手摸烧杯感到 烧杯内壁上有 火焰呈
(2)反应的文字表达式:。
(3)实验结论:水是由组成的。
[思路与方法]

任务二 从水的电解探究水的组成
“分”法探究（用分解反应探究物质组成）
探究一:探究水的元素组成
[提出问题]水是由哪些元素组成的?使水分解可能的方法有。
[作出猜想]水在通电的条件下(填“能”或“不能”)发生化学反应。
[设计实验]利用电解器,给水通入直流电。
[进行实验]
(1)观察现象:在电解器玻璃管里加满水,接通直流电源,观察并记录玻璃管内的现象。
| 现象 | 与电源正极相连的玻璃管内 | 与电源负极相连的玻璃管内 |
| ---- | ---- | ---- |
| | 有气泡产生,且产生气泡 | 有气泡产生,且产生气泡 |
比较两个玻璃管内现象的差异 负极产生气体的体积约是正极的倍
(2)检验气体:切断上述装置中的电源,用燃着的木条分别在两个玻璃管尖嘴口检验电解反应中产生的气体,观察并记录实验现象。
| 实验内容 | 检验与电源正极相连的玻璃管内的气体 | 检验与电源负极相连的玻璃管内的气体 |
| ---- | ---- | ---- |
| 现象 | 燃着的木条燃烧 | 气体能 |
| 解释 | 正极产生的气体是 | 负极产生的气体是 |
(3)实验分析:氢气是由氢元素组成的,氧气是由氧元素组成的,根据化学反应前后元素的种类不变,可推断水不是由一种元素组成的,而是由组成的。
(4)实验结论。
①水在通电的条件下,发生了分解反应,生成了氢气和氧气,其文字表达式是。
②水由氢元素和氧元素组成。
探究二:探究水分子的构成
[提出问题]已知每个氢分子由2个氢原子构成,每个氧分子由2个氧原子构成。水电解时水分子分裂成氢原子和氧原子,原子重新组合成新的分子,因此原子是化学变化中的最小粒子。究竟由几个氢、氧原子组合成一个水分子呢?
[查阅资料]
资料1:同温同压下,气体的体积比等于分子个数比。
资料2:2体积氢气和1体积氧气经电火花引燃后,可生成2体积水蒸气。
[微观过程]结合实验现象和资料,尝试推断水分子的构成,并用微观示意图的形式,画出推导过程。
[定量分析]电解水时产生的氢气和氧气的体积比为2:1,说明生成氢气和氧气的分子个数比是。氢气和氧气的分子都是双原子分子,所以可推测1个水分子中氢、氧原子的个数比为。
[实验结论]1个水分子由构成。
[实验拓展]计算水分子的构成
已知电解水得到$\ce{H_{2}}$和$\ce{O_{2}}$的体积比为2:1,其密度(标准状况下)分别为0.09 g/L和1.43 g/L,则:
(1)水中氢、氧元素的质量比是多少?
(2)水分子中氢、氧原子的个数比是多少?
(3)写出水分子的化学式:。
[思路与方法]

1. 小、难溶于水
2. (1) 空气或氧气
(2) 尖锐的爆鸣声、很小
3. (1) 热、无色液滴、淡蓝色
(2) 氢气+氧气$\xrightarrow{点燃}$水
(3) 氢、氧两种元素
[提出问题] 加热、通电等
[作出猜想] 能
[进行实验]
(1) 较慢、较快、2
(2) 更旺、燃烧,产生淡蓝色火焰、氧气、氢气
(3) 氢、氧两种元素
(4) ① 水$\xrightarrow{通电}$氢气+氧气
[微观过程]
[定量分析] 2:1、2:1
[实验结论] 2个氢原子和1个氧原子
[实验拓展]
(1) 水中氢、氧元素的质量比为$m(\ce{H}):m(\ce{O})=(2\ \mathrm{L} × 0.09\ \mathrm{g/L}):(1\ \mathrm{L} × 1.43\ \mathrm{g/L}) \approx 1:8$。
(2) 水分子中氢、氧原子的个数比为$N(\ce{H}):N(\ce{O})=\dfrac{1}{1}:\dfrac{8}{16}=2:1$。
(3) $\ce{H_{2}O}$

【分析】
本题围绕“探究水的组成”分为两个任务：一是利用氢气燃烧（化合反应）验证水的组成，二是利用水的电解（分解反应）探究水的组成。解题时需掌握氢气的物理性质、验纯方法、燃烧实验的现象与结论，以及电解水实验的现象、气体检验方法，结合化学反应前后元素种类不变推导水的元素组成，再通过气体体积比、密度计算推导水分子的构成，核心是牢记实验现象、结论及相关计算方法。
【解析】
1. 氢气的物理性质：氢气密度比空气小，难溶于水，故填“小”“难溶于水”。
2. 氢气的验纯：(1) 氢气中混有空气或氧气时，遇明火可能爆炸；(2) 验纯时，尖锐的爆鸣声说明气体不纯，声音很小说明气体较纯。
3. 氢气的燃烧实验：(1) 燃烧时放热，烧杯内壁有无色液滴，火焰呈淡蓝色；(2) 反应的文字表达式为：氢气+氧气$\xrightarrow{点燃}$水；(3) 实验结论：水由氢、氧两种元素组成。
任务二：
[提出问题] 使水分解的方法有加热、通电等；
[作出猜想] 水在通电条件下能发生化学反应；
[进行实验] (1) 与电源正极相连的玻璃管内气泡产生较慢，负极产生气泡较快，负极气体体积约是正极的2倍；(2) 正极气体使燃着的木条燃烧更旺，是氧气；负极气体能燃烧，产生淡蓝色火焰，是氢气；(3) 水由氢、氧两种元素组成；(4) ① 反应的文字表达式为：水$\xrightarrow{通电}$氢气+氧气；
[定量分析] 电解水时氢气和氧气体积比为2:1，同温同压下气体体积比等于分子个数比，故分子个数比为2:1；氢分子、氧分子均为双原子分子，可推测1个水分子中氢、氧原子个数比为2:1；
[实验结论] 1个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成；
[实验拓展] (1) 水中氢、氧元素质量比：$m(\ce{H}):m(\ce{O})=(2\ \mathrm{L}×0.09\ \mathrm{g/L}):(1\ \mathrm{L}×1.43\ \mathrm{g/L})≈1:8$；(2) 水分子中氢、氧原子个数比：$N(\ce{H}):N(\ce{O})=\dfrac{1}{1}:\dfrac{8}{16}=2:1$；(3) 水分子化学式为$\ce{H_{2}O}$。
【答案】
1. 小、难溶于水
2. (1) 空气或氧气；(2) 尖锐的爆鸣声、很小
3. (1) 热、无色液滴、淡蓝色；(2) 氢气+氧气$\xrightarrow{点燃}$水；(3) 氢、氧两种元素
[提出问题] 加热、通电等
[作出猜想] 能
[进行实验] (1) 较慢、较快、2；(2) 更旺、燃烧，产生淡蓝色火焰、氧气、氢气；(3) 氢、氧两种元素；(4) ① 水$\xrightarrow{通电}$氢气+氧气
[微观过程]
[定量分析] 2:1、2:1
[实验结论] 2个氢原子和1个氧原子
[实验拓展] (1) 水中氢、氧元素的质量比为$1:8$；(2) 水分子中氢、氧原子的个数比为$2:1$；(3) $\ce{H_{2}O}$
【知识点】
氢气的性质、水的组成探究、电解水实验
【点评】
本题是基础化学实验题，通过化合反应和分解反应两个角度探究水的组成，涵盖氢气的性质、验纯、燃烧实验及电解水实验的核心知识点，注重实验现象与结论的对应，适合巩固化学基础，难度适中。
【难度系数】
0.7