Question

2．早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，我國(guó)就開(kāi)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(lái)．
一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．其中，石灰石起的作用是將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去的．
（一）甲組同學(xué)在學(xué)習(xí)煉鐵的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，對(duì)煉鐵時(shí)還原劑的選擇進(jìn)行了如下探究．
【提出問(wèn)題】
單質(zhì)碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑．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(jìn)行實(shí)驗(yàn)】
①稱(chēng)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(shí)驗(yàn)同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行．在圖1裝置B的反應(yīng)中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)
先通CO（選填“通CO”或“加熱”）； 實(shí)驗(yàn)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(jìn)入的空氣氧化．
【實(shí)驗(yàn)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(shí)（選填“紅色變?yōu)楹谏�”或“黑色變�(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(shí)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(gè)原因．
【完善實(shí)驗(yàn)】
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(huì)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CO₂，將該氣體通過(guò)圖2的檢驗(yàn)裝置．圖2A裝置中的試劑是（寫(xiě)名稱(chēng)，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+CO₂═Na₂CO₃+H2O ）；證明原混合氣體中CO₂存在的化學(xué)方程式Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；證明原混合氣體中CO存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是黑色粉末變成紅色；經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，證實(shí)碳還原氧化鐵所得的氣體中確實(shí)含有CO和CO₂．
（二）精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對(duì)其進(jìn)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(jìn)一步還原，其反應(yīng)方程式為Fe_xO_y+yH₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$xFe+yH₂O，F(xiàn)e₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+CH₄．
【含量測(cè)定】

為得到精還原鐵粉并測(cè)定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．
已知3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+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(duì)測(cè)定結(jié)果的影響）．
（1）主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：
①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，稱(chēng)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(diǎn)燃酒精燈，先點(diǎn)A處，后點(diǎn)C處（填“先點(diǎn)A處，后點(diǎn)C處”或“先點(diǎn)C處，后點(diǎn)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(chēng)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，防止發(fā)生爆炸，驗(yàn)證該步驟目的達(dá)到的實(shí)驗(yàn)方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)聲音；
（3）若缺少裝置D，則所測(cè)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(jì)算樣品出中碳、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是0.6%，1.6%．（列出計(jì)算過(guò)程）

Answer 1

分析 根據(jù)一氧化碳和氧化鐵在高溫的條件下生成鐵和二氧化碳，在煉鐵中石灰石起作用是將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去進(jìn)行分析；
【提出問(wèn)題】根據(jù)碳和氧化鐵在給高溫的條件下生成鐵和二氧化碳進(jìn)行分析；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】②根據(jù)可燃性氣體與空氣混合加熱時(shí)有爆炸的危險(xiǎn)考慮；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】根據(jù)氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色分析判斷現(xiàn)象；
【完善實(shí)驗(yàn)】根據(jù)澄清石灰水可以檢驗(yàn)二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳?xì)怏w考慮；
（2）根據(jù)裝置A在加熱時(shí)發(fā)生反應(yīng)，生成的水與甲烷通過(guò)裝置B處理后進(jìn)入裝置C，進(jìn)入該裝置的氣體在加熱條件下發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行分析；
（2）根據(jù)步驟③的目的是 除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗(yàn)證該步驟目的達(dá)到的實(shí)驗(yàn)方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)聲音進(jìn)行分析；
（3）根據(jù)若缺少裝置D，氧元素的測(cè)定時(shí)取決于B裝置的吸收，所以是不會(huì)影響的（后面與氧化鐵的反應(yīng)物是甲烷氣體反應(yīng)造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會(huì)影響到）進(jìn)行分析；
（4）根據(jù)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(jì)算出粗還原鐵粉中所含碳元素質(zhì)量進(jìn)行分析．

解答 解：一氧化碳和氧化鐵在高溫的條件下生成鐵和二氧化碳，化學(xué)方程式為：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂ ，在煉鐵中石灰石起作用是將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去；
【提出問(wèn)題】碳與氧化鐵在高溫的條件下反應(yīng)生成鐵和二氧化碳，化學(xué)方程式為：3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】為防止一氧化碳與空氣混合加熱時(shí)，引起爆炸，在實(shí)驗(yàn)前要先通入CO；防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】因氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色，B中的氧化鐵被完全還原后，由紅色變成黑色．此時(shí)由于A中的氧化鐵還沒(méi)有被完全還原，仍有紅色物質(zhì)；
【完善實(shí)驗(yàn)】為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以檢驗(yàn)二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳?xì)怏w，所以先用圖2中的A檢驗(yàn)二氧化碳的存在，氫氧化鈣和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀和水，化學(xué)方程式為：Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O，為防止二氧化碳影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，再用圖2中的B中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，連接圖2中的C，如果氧化銅由黑色變成紅色，圖2D中的澄清石灰水變渾濁，說(shuō)明有一氧化碳?xì)怏w；
（1）根據(jù)題目中的假設(shè)情況，為使裝置A反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷氣體全部在裝置C中發(fā)生反應(yīng)，操作時(shí)應(yīng)先將C處酒精燈點(diǎn)燃，然后再點(diǎn)燃A處酒精處；
（2）步驟③的目的是 除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗(yàn)證該步驟目的達(dá)到的實(shí)驗(yàn)方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)聲音；有剩余則沒(méi)有完全被除掉；
（3）若缺少裝置D，氧元素的測(cè)定時(shí)取決于B裝置的吸收，所以是不會(huì)影響的（后面與氧化鐵的反應(yīng)物是甲烷氣體反應(yīng)造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會(huì)影響到）；
（4）裝置B增重0.27g，則說(shuō)明粗還原鐵粉與氫氣反應(yīng)生成水的質(zhì)量為0.360g，因此生成水中氧元素質(zhì)量=0.27g×$\frac{16}{18}$×100%=0.24g；
樣品中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.24g}{20g}$×100%=1.2%
裝置E增重0.440g，則甲烷與氧化鐵反應(yīng)生成二氧化碳的質(zhì)量為0.440g，生成二氧化碳中碳元素質(zhì)量=0.33g×$\frac{12}{44}$×100%=0.09g
樣品中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.09g}{20g}$×100%=0.45%
答：樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.2%、0.45%．
故答案為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去的；
【提出問(wèn)題】3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】通CO，防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】紅色變?yōu)楹谏�；紅色物質(zhì)；
【完善實(shí)驗(yàn)】澄清的石灰水；Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；黑色粉末變成紅色；
探究二（1）先點(diǎn)A處，后點(diǎn)C處； 
（2）除去裝置內(nèi)的氧氣（或空氣），防止發(fā)生爆炸；收集尾氣點(diǎn)燃，聽(tīng)聲音；
（3）不變；
（4）0.45%，1.2%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了常規(guī)性的冶煉鐵的原理及實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)等，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)鐵冶煉原理的知識(shí)遷移，理解該題的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及目的，考查了知識(shí)的運(yùn)用及實(shí)驗(yàn)分析的能力．