Question

8．鐵和四氧化三鐵及其他含鐵物質(zhì)的性質(zhì)、轉(zhuǎn)換、用途是初中化學(xué)常見的知識(shí)內(nèi)容．某興趣小組同學(xué)在《培養(yǎng)中學(xué)生基本科學(xué)素養(yǎng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究》課題組老師的帶領(lǐng)下開展了系列研究．
I：鐵和四氧化三鐵的轉(zhuǎn)換：
i：鐵在氧氣里燃燒
【探究一】探究鐵絲燃燒是否需要純氧
【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】取0.33mm的鐵絲，分別在體積分?jǐn)?shù)為90%、70%、65%、60%、55%的氧氣中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

O2%	90%	70%	65%	60%	55%
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象	燃燒劇烈，燃燒時(shí)間長，效果好	燃燒比90%弱，燃燒時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)成功	燃燒比70%弱，燃燒時(shí)間比70%短，實(shí)驗(yàn)成功	燃燒比65%弱，燃燒時(shí)間更短，實(shí)驗(yàn)成功	難以燃燒，只是發(fā)紅

【結(jié)論】就0.33mm鐵絲而言，依據(jù)上表燃燒所需氧氣的最低體積分?jǐn)?shù)為60%，且氧氣濃度越大，燃燒越劇烈．
【反思】所有鐵絲的燃燒所需氧氣最低濃度為上述結(jié)論不（填“是”或“不”）合理，理由是沒有考慮鐵絲的粗細(xì)．
ii：鐵和四氧化三鐵在轉(zhuǎn)換時(shí)的應(yīng)用：
在焊接兩根鐵軌時(shí)，為確保施工質(zhì)量，工程技術(shù)人員常用到一種叫做“引火鐵”的反應(yīng)活性材料，“引火鐵”（極細(xì)的鐵粉）是一種準(zhǔn)納米材料，它在空氣中可以自燃．某化學(xué)興趣小組根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室制備其過程如下：

（1）在高溫條件下用普通鐵粉和水蒸氣反應(yīng)，得到粉末狀的四氧化三鐵和氫氣．
（2）將四氧化三鐵粉末再在高溫條件下經(jīng)過與上述過程相反的反應(yīng)生成“引火鐵”粉末．請(qǐng)分別用以下兩套裝置，制取四氧化三鐵和“引火鐵”．（注：裝置中必要的鐵架臺(tái)、鐵夾、鐵圈、石棉網(wǎng)、加熱設(shè)備等在圖1中均已略去）
填寫下列空白：
（1）寫出實(shí)驗(yàn)過程中第（1）、（2）兩個(gè)步驟中的任一反應(yīng)方程式：3Fe+4H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂，F(xiàn)e₃O₄+4H2$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+4H₂O；
（2）在實(shí)驗(yàn)裝置中，燒瓶B的作用是產(chǎn)生水蒸氣；
（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)試管A中加入的固體是普通鐵粉；
（4）在試管H中反應(yīng)進(jìn)行H₂還原Fe₃O₄前，在I出口處必須先檢驗(yàn)氫氣的純度．
II：在實(shí)驗(yàn)室中模擬煉鐵化學(xué)原理的實(shí)驗(yàn)，對(duì)固體產(chǎn)物成分等進(jìn)行探究
【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】用一氧化碳還原純凈的氧化鐵粉末，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2．

【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】該小組按上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在一定溫度下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測得下列數(shù)據(jù)：
①反應(yīng)前玻璃管和內(nèi)盛氧化鐵粉末的總質(zhì)量66g（玻璃管的質(zhì)量為60g）
②反應(yīng)后玻璃管和內(nèi)盛黑色固體的總質(zhì)量65.8g（冷卻到室溫稱量）
【得出結(jié)論】通過實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出黑色固體粉末為Fe₃O₄．
【反思與評(píng)價(jià)】一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)中，可能會(huì)生成四氧化三鐵、氧化亞鐵等，那么要提高含鐵量可采用的方法是延長通入CO的時(shí)間、提高反應(yīng)溫度、延長反應(yīng)時(shí)間（答出一個(gè)即可）．

Answer 1

分析 I：i．【結(jié)論】根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析；
【反思】根據(jù)影響可燃物燃燒的因素有氧氣的濃度、接觸面積等分析；
ii：（1）根據(jù)題目信息找出反應(yīng)物和生成物寫出反應(yīng)的方程式；
（2）根據(jù)反應(yīng)需要水蒸氣分析燒瓶的作用；
（3）根據(jù)反應(yīng)需要鐵粉分析藥品；
（4）根據(jù)氫氣容易發(fā)生爆炸分析使用的注意事項(xiàng)；
II：【得出結(jié)論】依據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)結(jié)合氧化鐵的化學(xué)式可求出氧化鐵中氧的質(zhì)量，再用反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量差與之比較判斷即可；
【反思與評(píng)價(jià)】根據(jù)信息資料分析應(yīng)該采用的方法．

解答 解：I：i．【結(jié)論】根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知鐵絲在體積分?jǐn)?shù)為55%的氧氣中難以燃燒，只是發(fā)紅；鐵絲在體積分?jǐn)?shù)為60%的氧氣中燃燒比65%弱，燃燒時(shí)間更短，實(shí)驗(yàn)成功．但沒有實(shí)驗(yàn)55%-60%之間的反應(yīng)會(huì)怎樣，因此就0.33mm鐵絲而言，依據(jù)上表燃燒所需氧氣的最低體積分?jǐn)?shù)為60%；故填：60%；
【反思】若鐵絲的粗細(xì)不同，燃燒需要氧氣的濃度可能不同，故答案為：不合理，沒有考慮鐵絲的粗細(xì)；
ii：（1）第（1）個(gè)步驟的反應(yīng)是在高溫條件下用普通鐵粉和水蒸氣反應(yīng)，得到粉末狀的四氧化三鐵和氫氣，反應(yīng)的方程式為：3Fe+4H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂↑；
第（2）個(gè)步驟是將四氧化三鐵粉末再在高溫條件下經(jīng)過與上述過程相反的反應(yīng)生成“引火鐵”粉末．，因此是四氧化三鐵和氫氣反應(yīng)產(chǎn)生鐵和水蒸氣，反應(yīng)的方程式為：Fe₃O₄+4H2$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+4H₂O；故答案為：3Fe+4H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂↑（或Fe₃O₄+4H2$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+4H₂O ）；
（2）第（1）個(gè)步驟的反應(yīng)是在高溫條件下用普通鐵粉和水蒸氣反應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)裝置中，燒瓶B的作用是產(chǎn)生水蒸氣；故答案為：產(chǎn)生水蒸氣；
（3）第（1）個(gè)步驟的反應(yīng)是在高溫條件下用普通鐵粉和水蒸氣反應(yīng)，因此試管A中裝的是鐵粉；故答案為：普通鐵粉；
（4）因?yàn)闅錃饧訜釙r(shí)容易發(fā)生爆炸，因此在加熱前一定要檢驗(yàn)氫氣的純度；故答案為：檢驗(yàn)氫氣的純度；
II：【得出結(jié)論】依據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)可知氧化鐵的質(zhì)量是：66g-60g=6g，這些氧化鐵中含有的氧元素質(zhì)量是：6g×$\frac{3×16}{3×56+4×16}$×100%=1.8g，由于反應(yīng)前后固體的質(zhì)量差即為氧化鐵失掉的氧的質(zhì)量，所以可知反應(yīng)前后失掉的氧的質(zhì)量是：66g-65.8g=0.2g，所以該固體不可能全是鐵，固體中還有1.6g氧元素沒有失掉，假設(shè)全是四氧化三鐵則其含有的氧元素質(zhì)量是：5.8g×$\frac{4×16}{3×56+4×16}$×100%=1.6g，故全部是四氧化三鐵，所以該固體粉末是四氧化三鐵；
故答案為：Fe₃O₄；
【反思與評(píng)價(jià)】根據(jù)資料可知一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)中，若要得到鐵可適當(dāng)延長通入CO的時(shí)間、提高反應(yīng)溫度、延長反應(yīng)時(shí)間等；故答案為：延長通入CO的時(shí)間、提高反應(yīng)溫度、延長反應(yīng)時(shí)間（答出一個(gè)即可）．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較強(qiáng)，較全面的考查了有關(guān)鐵的轉(zhuǎn)化，解答時(shí)要充分利用題目信息進(jìn)行分析寫出方程式，在一氧化碳還原氧化鐵，尤其是利用數(shù)據(jù)對(duì)混合物的判斷增加了試題難度，掌握反應(yīng)前后元素的質(zhì)量不變進(jìn)行解答，能夠考查學(xué)生的分析問題能力，難度較大．