Question

8．精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進行下列研究：
【物質(zhì)制備】利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下：

粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe₃C雜質(zhì)，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應(yīng)方程式為：
FexOy+yH₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+yH₂O
Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+CH₄
（1）焙燒中加焦炭的作用：①制取CO；②提供熱量．
（2）寫出焙燒中氧化鐵與CO反應(yīng)的化學方程式：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
【含量測定】為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中鐵的氧化物組成及Fe₃C的質(zhì)量分數(shù)，取粗還原鐵粉16g，并將其分為2等分，一份與足量的稀鹽酸反應(yīng)，得到氫氣0.2g，另一份按如下裝置進行實驗．（假設(shè)每步反應(yīng)都完全且不考慮裝置內(nèi)原有空氣對測定結(jié)果的影響）．
【資料卡】①3CH₄+4Fe₂O₃ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe
②鐵的氧化物及Fe₃C均不能與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生H₂
③濃硫酸的作用吸水，堿石灰吸水和二氧化碳

（3）寫出裝置中所指定儀器的名稱：①硬質(zhì)粗玻璃管；②鐵架臺．
（4）寫出鐵與稀鹽酸反應(yīng)的化學方程式：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑．
（5）主要實驗步驟如下：
①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，精確稱量樣品和B、D、E裝置的質(zhì)量；②點燃A處酒精燈；③緩緩通入純凈干燥的H₂；④點燃C處酒精燈；⑤分別熄滅A、C處酒精燈；⑥再緩緩通入少量H₂；⑦再次精確稱量樣品及B、D、E裝置的質(zhì)量．
正確操作的先后順序是①→③→④→②→⑤→⑥→⑦（填序號），否則，測定的Fe₃C質(zhì)量分數(shù)偏�。ㄌ睢捌�大”、“偏小”或“不變”）．步驟③的目的是將裝置中的空氣排盡，防止點燃時發(fā)生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣驗純；步驟⑥的目的是防止生成的精還原鐵粉在高溫下又被氧化．
（6）經(jīng)精確稱量，實驗樣品及B、D、E裝置反應(yīng)前后質(zhì)量的變化如表：

	樣品	B	D	E
反應(yīng)前	8g	350g	350g	220g
反應(yīng)后	7.553g	350.435g	351.98g	220.22g

計算樣品中Fe₃C質(zhì)量分數(shù)，應(yīng)選用上表中的E組數(shù)據(jù)（填“D”或“E”），其理由是H₂與Fe₂O₃反應(yīng)也生成H₂O，則Fe₃C質(zhì)量分數(shù)為11.25%（精確到0.01%）．
（7）樣品中鐵的氧化物中，鐵、氧元素的質(zhì)量比是多少？（精確到0.01）（寫出計算過程）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)焦炭的性質(zhì)來分析；
（2）CO具有還原性，能與氧化鐵反應(yīng)而使氧化鐵還原成鐵，同時放出二氧化碳；
（3）熟記常見儀器的名稱；
（4）根據(jù)化學反應(yīng)的原理來分析；
（5）根據(jù)實驗步驟以及實驗中的注意事項來分析解答；
（6）根據(jù)裝置質(zhì)量增重的原因來分析；
（7）裝置B中濃硫酸吸收氫氣與粗還原鐵粉反應(yīng)生成的水，由該裝置增重為反應(yīng)生成水的質(zhì)量可求得粗還原鐵粉中氧元素質(zhì)量；裝置E中堿石灰吸收甲烷與氧化鐵反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳，由該裝置增重為反應(yīng)生成二氧化碳的質(zhì)量可計算出粗還原鐵粉中所含碳元素質(zhì)量．

解答 解：（1）焦炭燃燒放出大量的熱，產(chǎn)生的熱量使裝置內(nèi)其它反應(yīng)得以發(fā)生，還提供了還原劑一氧化碳；故填：①制取CO；②提供熱量；
（2）氧化鐵在高溫條件下能與CO發(fā)生反應(yīng)生成鐵與二氧化碳，故填：Fe₂O₃+3CO $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
（3）①是硬質(zhì)玻璃管，②是鐵架臺；故填：①硬質(zhì)粗玻璃管；②鐵架臺；
（4）鐵與稀鹽酸反應(yīng)生成氯化亞鐵和氫氣，故填：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑；
（5）根據(jù)題目中的假設(shè)情況，為使裝置A反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷氣體全部在裝置C中發(fā)生反應(yīng)，操作時應(yīng)先將C處酒精燈點燃，然后再點燃A處酒精處；否則會造成測定結(jié)果偏小；
步驟③的目的是除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；有剩余則沒有完全被除掉；步驟⑥的目的是防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用；
故填：④→②；偏��；將裝置中的空氣排盡，防止點燃時發(fā)生爆炸；收集尾氣驗純；防止生成的精還原鐵粉在高溫下又被氧化．
（6）D裝置中的濃硫酸能吸收生成的水蒸氣，但是氫氣還原氧化鐵也會生成水蒸氣，而裝置E增重是因為吸收了反應(yīng)生成的二氧化碳，也只有此反應(yīng)生成二氧化碳，所以選擇裝置E的數(shù)據(jù)來計算．設(shè)生成（220.22g-220g）二氧化碳需要Fe₃C的質(zhì)量為x，由質(zhì)量守恒定律可知，F(xiàn)e₃C中碳元素的質(zhì)量與二氧化碳中碳元素的質(zhì)量相等，則
x×$\frac{12}{56×3+12}×100%$=（220.22g-220g）×$\frac{12}{44}×100%$
x=0.9g
則Fe₃C質(zhì)量分數(shù)為$\frac{0.9g}{8g}×100%$=11.25%
故填：E；H₂與Fe₂O₃反應(yīng)也生成H₂O；11.25%；
（7）裝置B增重0.435g，則粗還原鐵粉與氫氣反應(yīng)生成水的質(zhì)量為0.435g，生成水中氧元素質(zhì)量=0.435g×$\frac{16}{18}×100%$≈0.39g
裝置E增重0.22g，則甲烷與氧化鐵反應(yīng)生成二氧化碳的質(zhì)量為0.22g，生成二氧化碳中碳元素質(zhì)量=0.22g×$\frac{12}{44}$×100%=0.06g
設(shè)生成0.2g氫氣需要鐵的質(zhì)量為y
Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑
56            2
y            0.2g
$\frac{56}{2}=\frac{y}{0.2g}$
y=5.6g
8g還原鐵粉中含鐵5.6g，F(xiàn)e₃C的質(zhì)量為0.9g，氧元素0.39g，則鐵的氧化物中鐵元素的質(zhì)量為：8g-0.9g-0.39g=1.11g
則樣品中鐵的氧化物中，鐵、氧元素的質(zhì)量比是1.11g：0.39g=111：39．
故填：111：39．

點評 本題考查了常規(guī)性的冶煉鐵的原理及實驗的注意事項等，并在此基礎(chǔ)上通過對鐵冶煉原理的知識遷移，理解該題的實驗過程及目的，考查了知識的運用及實驗分析的能力．