Question

14．鋼鐵工業(yè)是國家工業(yè)的基礎．
I．如圖1是教材中煉鐵高爐及爐內化學變化過程示意圖，根據圖示回答下列問題．

若圖中采用的鐵礦石的主要成分為氧化鐵，請寫出A區(qū)發(fā)生主要反應的化學方程式：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
Ⅱ．如圖2所示，化學興趣小組同學在實驗室里利用碳和氧化鐵反應模擬煉鐵，得到了無色氣體A和黑色粉末B，并探究兩者的成分．
（一）甲組同學對無色氣體A的成分進行探究．
【猜想與假設】
猜想1：A中只有CO₂；  猜想2：A中只有CO；  猜想3：A中有CO₂和CO．
【實驗驗證】
甲組同學按如圖3所示進行實驗（箭頭表示氣體流向，NaOH溶液的作用是除去氣體中的CO₂）．

【討論交流】
實驗證實猜想3正確，則：
（1）Ⅰ中澄清石灰水的作用是檢驗CO₂，能證明猜想3成立的現象是Ⅰ中澄清石灰水變渾濁，Ⅲ中黑色固體變?yōu)榧t色（或I、Ⅳ中澄清石灰水均變渾濁）．
（2）Ⅲ中反應的化學方程式CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂．
（二）乙組同學對黑色粉末B的成分進行探究．
【查閱資料】
①碳（或一氧化碳）還原氧化鐵的固體產物可能有四氧化三鐵、氧化亞鐵、鐵．
②碳（或一氧化碳）還原氧化鐵的產物成分與反應溫度、反應時間等因素有關．
③

物質 性質	四氧化三鐵	氧化亞鐵	氧化鐵	鐵粉
顏色	黑色	黑色	紅色	黑色
能否被磁鐵吸引	能	不能	不能	能

【初步實驗與猜想】
①小組同學將反應后的黑色固體研磨后，再用磁鐵吸引，發(fā)現黑色固體粉末全部能被吸引，則該黑色固體粉末中不可能含有氧化鐵和氧化亞鐵（或FeO）．
②進行猜想：黑色固體粉末可能是：
猜想一：全部是Fe；猜想二：全部是Fe₃O₄；猜想三：是Fe和Fe₃O₄的混合物．
【進一步實驗】該小組按如圖4裝置設計實驗，在一定溫度下進行了實驗，測得下列數據：
①應前稱取5.8g黑色粉末B加入玻璃管內 （玻璃管的質量為60.0g）
②充分反應后管內固體全部是鐵，玻璃管和管內固體的總質量64.2g（已冷卻到室溫）．
【得出結論】根據上述數據，經計算得出該黑色粉末B是Fe₃O₄．
【反思與評價】碳（或一氧化碳）還原氧化鐵的實驗中，若要得到鐵可適當提高反應溫度和延長反應時間．

Answer 1

分析 Ⅰ、根據A區(qū)主要生成鐵分析發(fā)生的反應，寫出反應的方程式；
Ⅱ、（一）（1）根據檢驗二氧化碳的方法來分析；根據一氧化碳的性質來分析；
（2）在加熱的條件下，一氧化碳與氧化銅反應生成銅和二氧化碳；
（二）①根據題意黑色固體粉末全部能被吸引分析不可能含有的物質；
②根據鐵和四氧化三鐵都是黑色、都能被磁鐵吸引，對黑色粉末進行猜想．
根據黑色固體的質量，可求出鐵的質量和含有的氧元素的質量，再根據減少的質量分析黑色固體粉末的成分．

解答 解：Ⅰ．由煉鐵的原理可知，在A區(qū)發(fā)生的反應主要是：在高溫條件下，一氧化碳將氧化鐵還原為鐵同時生成了二氧化碳，反應的方程式是：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；故填：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
Ⅱ．（一）（1）二氧化碳能使澄清的石灰水變渾濁，所以Ⅰ中澄清石灰水是用來檢驗氣體中是否含有二氧化碳，故填：檢驗CO₂；
若氣體A是一氧化碳與二氧化碳的混合物，則會觀察到Ⅰ中澄清石灰水變渾濁，在加熱的條件下，一氧化碳能將黑色的氧化銅還原為紅色的銅，同時生成二氧化碳，觀察到Ⅳ中澄清石灰水變渾濁，故填：Ⅰ中澄清石灰水變渾濁，Ⅲ中黑色固體變?yōu)榧t色（或I、Ⅳ中澄清石灰水均變渾濁）；
（2）在加熱的條件下，一氧化碳與氧化銅反應生成銅和二氧化碳，化學方程式為：CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂，故填：CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂；
（二）【初步實驗與猜想】①由題意可知，黑色固體粉末全部能被吸引，則該黑色固體粉末中不可能含有氧化鐵和氧化亞鐵．故填：氧化亞鐵（或FeO）；
②由題意可知，黑色固體粉末全部能被吸引，黑色固體粉末可能是全部為鐵或全部為四氧化三鐵或四氧化三鐵與鐵粉的混合物．故填：Fe和Fe₃O₄的混合物；
【得出結論】根據題干信息可知，加熱反應后，固體減少的質量為氧元素的質量，即60.0g+5.8g-64.2g=1.6g，鐵的質量為：64.2g-60.0g=4.2g，則黑色固體中鐵元素與氧元素的質量比為：$\frac{4.2g}{1.6g}$=$\frac{21}{8}$；Fe₃O₄中鐵元素與氧元素的質量比為：$\frac{56×3}{16×4}$=$\frac{21}{8}$，若該黑色固體中含有鐵的單質，則該黑色固體中鐵元素與氧元素的質量比就會大于$\frac{21}{8}$，所以該黑色固體是四氧化三鐵．故填：Fe₃O₄．

點評 本題綜合性較強，較全面的考查了一氧化碳還原氧化鐵，尤其是利用數據對混合物的判斷增加了試題難度，掌握反應前后元素的質量不變，并會結合化學式分析即可順利解答．