2.早在春秋戰(zhàn)國時期,我國就開始生產(chǎn)和使用鐵器.工業(yè)煉鐵把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐,在高溫下,利用焦炭與氧氣反應(yīng)生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來.
一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為:3CO+Fe
2O
3$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO
2.其中,石灰石起的作用是 將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去的.
(一)甲組同學(xué)在學(xué)習(xí)煉鐵的相關(guān)內(nèi)容時,對煉鐵時還原劑的選擇進行了如下探究.
【提出問題】
單質(zhì)碳也具有還原性,碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為3C+2Fe
2O
3$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO
2↑.為什么工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石?
【猜想與假設(shè)】
焦炭和鐵礦石都是固體,接觸面積小,反應(yīng)不易完全.
【進行實驗】
①稱取兩份相同質(zhì)量的氧化鐵粉末.一份與足量的碳粉均勻混合放入圖1裝置A的試管中;另一份放入圖1裝置B的玻璃管中.
②圖1裝置A和B兩組實驗同時開始進行.在圖1裝置B的反應(yīng)中,實驗開始前應(yīng)先通CO ,(選填“通CO”或“加熱”); 實驗結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫,其原因是防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化 .
【實驗現(xiàn)象】
當(dāng)圖1裝置B的玻璃管中固體完全由紅色變?yōu)楹谏珪r(選填“紅色變?yōu)楹谏被颉昂谏優(yōu)榧t色”),圖1裝置A的試管中仍有紅色物質(zhì).
【解釋與結(jié)論】
焦炭和鐵礦石都是固體,接觸面積小,反應(yīng)確實不易完全,這可能是工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因.
【完善實驗】
聯(lián)想到單質(zhì)碳的一些化學(xué)性質(zhì),甲同學(xué)認(rèn)為在碳還原氧化鐵的反應(yīng)中可能還會有CO產(chǎn)生.為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO
2,將該氣體通過圖2的檢驗裝置.圖2A裝置中的試劑是(寫名稱,下同)澄清的石灰水,圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液,用以吸收二氧化碳(2NaOH+CO
2═Na
2CO
3+H2O );證明原混合氣體中CO
2存在的化學(xué)方程式Ca(OH)
2+CO
2=CaCO
3↓+H
2O;證明原混合氣體中CO存在的實驗現(xiàn)象是黑色粉末變成紅色;經(jīng)過檢驗,證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有CO和CO
2.
(二)精還原鐵粉是一種重要的化工原料,某興趣小組對其進行下列研究:
【物質(zhì)制備】
利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下:
粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe
3C雜質(zhì),可用氫氣在高溫下進一步還原,其反應(yīng)方程式為
Fe
xO
y+yH
2$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$xFe+yH
2O,F(xiàn)e
3C+2H
2$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+CH
4.
【含量測定】
為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),按圖裝置進行實驗.
已知3CH
4+4Fe
2O
3$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CO
2+6H
2O+8Fe(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).
(1)主要實驗步驟如下:
①按順序組裝儀器,檢查裝置的氣密性,稱量樣品和必要裝置的質(zhì)量;
②緩緩?fù)ㄈ爰儍舾稍锏腍
2;
③點燃酒精燈,先點C處,后點A處(填“先點A處,后點C處”或“先點C處,后點A處”);
④分別熄滅A處、C處酒精燈;
⑤再緩緩?fù)ㄈ肷倭縃
2;
⑥再次稱量必要裝置的質(zhì)量
(2)步驟②的目的是除去裝置內(nèi)的氧氣(或空氣),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點燃,聽聲音;
(3)若缺少裝置D,則所測氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將不變(填“偏大”,“偏小”或“不變”).
(4)粗還原鐵粉樣品的質(zhì)量為15.000g,裝置B、E分別增重0.270g和0.330g,則計算樣品出中碳、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是0.45%,1.2%.