Question

粗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，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應方程式為：Fe_xO_Y+yH₂xFe+yH₂O   Fe₃C+2H₂3Fe+CH₄
（1）寫出焙燒中氧化鐵與CO反應的化學方程式    ．
（2）焙燒中加焦炭的作用除了可以生成CO外，還能    ．
[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)量分數(shù)，按如下裝置進行試驗，已知 3CH₄+4Fe₂O₃3CO₂+6H₂O+8Fe
  （假設每步反應都完全且不考慮裝置內(nèi)原來有空氣對測定結果的影響）．

（3）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分別熄燈A、C處酒精燈；⑥再緩緩通入少量H₂；⑦再次稱量必要裝置的質(zhì)量．
操作的先后順序是①③    ⑤⑥⑦（填序號）；
（4）步驟③的目的是    ，驗證該步驟目的達到的實驗方法是    ；步驟⑥的目的是     
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，則m與n的關系為   
A.11m=9n     B.11m＜9n     C.11m＞9n
若缺少裝置D，則所測氧元素的質(zhì)量分數(shù)將    （填“偏大”、“偏小”或“等于”．下同）．碳元素的質(zhì)量分數(shù)將    ．
（6）粗還原鐵粉樣品的質(zhì)量為10.000g，裝置B，E分別增重0.180g和0.220g．計算樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分數(shù)（要求計算過程）．

Answer 1

【答案】分析：（1）CO具有還原性，能與氧化鐵反應而使氧化鐵還原成鐵，同時放出二氧化碳；
（2）焦炭燃燒放出大量的熱，該熱量可維持其它反應的發(fā)生；
（3）裝置A在加熱時發(fā)生反應，生成的水與甲烷通過裝置B處理后進入裝置C，進入該裝置的氣體在加熱條件下發(fā)生反應；
（4）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；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 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當只有甲烷參與反應時可以求出二氧化碳和水的質(zhì)量比為9：11，可求m與n的關系
若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）．碳元素的質(zhì)量分數(shù)是通過吸收二氧化碳，也可以說通過E裝置的質(zhì)量增加來實現(xiàn)，當D不存在時，導致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導致碳元素質(zhì)量增加，進而使含碳量偏大．
（6）裝置B中濃硫酸吸收氫氣與粗還原鐵粉反應生成的水，由該裝置增重為反應生成水的質(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產(chǎn)生的二氧化碳，由該裝置增重為反應生成二氧化碳的質(zhì)量可計算出粗還原鐵粉中所含碳元素質(zhì)量．
解答：解：（1）氧化鐵在高溫條件下能與CO發(fā)生反應生成鐵與二氧化碳，反應的化學方程式為Fe₂O₃+3CO2Fe+3CO₂；
（2）焦炭燃燒放出大量的熱，產(chǎn)生的熱量使裝置內(nèi)其它反應得以發(fā)生；
（3）根據(jù)題目中的假設情況，為使裝置A反應產(chǎn)生的甲烷氣體全部在裝置C中發(fā)生反應，操作時應先將C處酒精燈點燃，然后再點燃A處酒精處；
（4）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 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當只有甲烷參與反應時可以求出二氧化碳和水的質(zhì)量比為9：11，可求m與n的關系．
3CH₄+4Fe₂O₃8Fe+3CO₂+6H₂O
                  3×44  6×18
                   n      m
       =  =
由于是加熱C在前，所以導致會先生成水，導致水的質(zhì)量多，所以是9n＜11m，所以選C．
若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）．碳元素的質(zhì)量分數(shù)是通過吸收二氧化碳，也可以說通過E裝置的質(zhì)量增加來實現(xiàn)，當D不存在時，導致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導致碳元素質(zhì)量增加，進而使含碳量偏大．
（6）裝置B增重0.180g，則粗還原鐵粉與氫氣反應生成水的質(zhì)量為0.180g，生成水中氧元素質(zhì)量=0.180g××100%=0.160g；
樣品中氧元素的質(zhì)量分數(shù)=×100%=1.6%
裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應生成二氧化碳的質(zhì)量為0.220g，生成二氧化碳中碳元素質(zhì)量=0.220g××100%=0.060g；
樣品中碳元素的質(zhì)量分數(shù)=×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分數(shù)分別為1.6%、0.6%．
故答案為：
（1）Fe₂O₃+3CO2Fe+3CO₂；
（2）提供熱量；
（3）④②；
（4）除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸； 收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用 
（5）C；等于；偏大；
（6）裝置B增重0.180g，則粗還原鐵粉與氫氣反應生成水的質(zhì)量為0.180g，生成水中氧元素質(zhì)量=0.180g××100%=0.160g；
樣品中氧元素的質(zhì)量分數(shù)=×100%=1.6%
裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應生成二氧化碳的質(zhì)量為0.220g，生成二氧化碳中碳元素質(zhì)量=0.220g××100%=0.060g；
樣品中碳元素的質(zhì)量分數(shù)=×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分數(shù)分別為1.6%、0.6%．
點評：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．