Question

已知木炭粉和Fe₂O₃ 反應(yīng)的化學方程式為：2Fe₂O₃+3C4Fe+3CO₂↑或者為：Fe₂O₃+3C2Fe+3CO↑
某同學設(shè)計一個實驗，假定恰好完全反應(yīng)，測定此反應(yīng)中的氣體生成物，實驗裝置如圖．
（1）實驗中通入的氣體是純凈干燥的N₂，寫出不用空氣的主要理由______，實驗也不能用潮濕的氮氣，原因是______．
（2）如用氧化鐵與木炭粉的混合物3.8g反應(yīng)，充分反應(yīng)后測得固體質(zhì)量減輕1.56g，則生成的氣體為______．
（3）燒杯內(nèi)適量澄清石灰水的現(xiàn)象為______，若氧化鐵的質(zhì)量與本次實驗相同，要使澄清石灰水的現(xiàn)象也與本次實驗相同，則固體混合物總質(zhì)量（m）的取值范圍應(yīng)該是______．
（4）合成氨工業(yè)生產(chǎn)中所用的α-Fe催化劑的主要成分是FeO、Fe₂O₃．
①當催化劑中FeO與Fe₂O₃的質(zhì)量之比為9：20時，其催化活性最高，此時鐵的氧化物混合物中鐵的質(zhì)量分數(shù)為______．
②以Fe₂O₃為原料制備上述催化劑，可向其中加入適量碳，發(fā)生如下反應(yīng)：2Fe₂O₃+C4FeO十CO₂↑，為制得這種活性最高的催化劑，應(yīng)向480g Fe₂O₃粉末中加入碳多少克？______．

Answer 1

解：（1）①因為空氣中含有二氧化碳和水，將使測定的結(jié)果不準確，故不能用空氣代替干燥的氮氣；②因為潮濕的氮氣中含有水分，也將使得測定的結(jié)果不準確，故不能用潮濕的氮氣代替干燥的氮氣；
（2）①若減少的質(zhì)量1.56g完全轉(zhuǎn)化成二氧化碳，設(shè)需要氧化鐵的質(zhì)量為x，需要碳的質(zhì)量為y
2Fe₂O₃+3C4Fe+3CO₂↑
320 36 132
x y 1.56g

= x=3.78g
= y=0.42g
∵3.78g+0.42g=4.2g＞3.8g∴該氣體不是二氧化碳；
②若減少的質(zhì)量1.56g完全轉(zhuǎn)化成一氧化碳，設(shè)需要氧化鐵的質(zhì)量為x，需要碳的質(zhì)量為y
Fe₂O₃+3C2Fe+3CO↑
160 36 84
x y 1.56g

= x=2.97g
= y=0.66g

∵2.97g+0.66g=3.63g＜3.8g，，成立，故生成的氣體是一氧化碳；
（3）①因為產(chǎn)生的氣體是一氧化碳，故不能使石灰水變渾濁；
②若不產(chǎn)生二氧化碳，則固體混合物的質(zhì)量最低值是二者恰好反應(yīng)，保證產(chǎn)生一氧化碳，是3.63g；
固體混合物的質(zhì)量最高值是小于二者恰好完全反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的最少量，是4.2g，
故固體混合物的取值范圍是大于3.63g而小于4.2g；
（4）①假設(shè)此時混合物中FeO的質(zhì)量為9m，則Fe₂O₃的質(zhì)量為20m，混合物的質(zhì)量為29m
混合物中鐵的質(zhì)量分數(shù)=9m××100%+20m××100% 29m=72%
②設(shè)反應(yīng)生成FeO的質(zhì)量為x，消耗Fe₂O₃的質(zhì)量為y，需要加入碳的質(zhì)量為z
2Fe₂O₃+C 4FeO+CO2↑
320 12 288
y z x
= y=
= z=
則活性最高的催化劑中FeO與Fe₂O₃的質(zhì)量之比=x：（480g-）=9：20，解得x=144g
應(yīng)加入碳的質(zhì)量==6g
答：（1）此時鐵的氧化物混合物中鐵的質(zhì)量分數(shù)為72%；
（2）為制得這種活性最高的催化劑，應(yīng)向480gFe2O3粉末中加入碳6g．
故答案為：（1）空氣中含有二氧化碳和水，將使測定的結(jié)果不準確；潮濕的氮氣中含有水分，也將使得測定的結(jié)果不準確；
（2）CO；（3）澄清石灰水無變化； 大于3.63g而小于4.2g （4）①72% 6g．
分析：（1）從空氣和潮濕的氮氣引入的雜質(zhì)分析，從而產(chǎn)生對實驗的影響；
（2）利用假設(shè)法：①若減少的質(zhì)量1.56g完全轉(zhuǎn)化成二氧化碳，計算出分別需要氧化鐵和碳的質(zhì)量，并與3.8g對照是否符合；②若減少的質(zhì)量1.56g完全轉(zhuǎn)化成一氧化碳，計算出分別需要氧化鐵和碳的質(zhì)量，并與3.8g對照是否符合，得出結(jié)論；
（3）根據(jù)生成的氣體是一氧化碳還是二氧化碳確定石灰水是否變渾濁；若不產(chǎn)生二氧化碳，則固體混合物的質(zhì)量應(yīng)大于保證生成一氧化碳的最低值，應(yīng)小于生成二氧化碳的最低值；
（4）①根據(jù)該混合物中FeO與Fe₂O₃的質(zhì)量比，由兩氧化物中鐵元素的質(zhì)量分數(shù)，可求得混合物與所含鐵的質(zhì)量關(guān)系，即可得此時鐵的氧化物混合物中鐵的質(zhì)量分數(shù)；
②分析題意可知當催化劑中FeO與Fe₂O₃的質(zhì)量之比為9：20時，其催化活性最高，所以可根據(jù)反應(yīng)結(jié)束后生成的FeO的質(zhì)量和剩余Fe₂O₃的質(zhì)量之比為9：20建立等式．
所以解題思路就是設(shè)出木炭的質(zhì)量，根據(jù)化學方程式求出生成的FeO的質(zhì)量和剩余的Fe₂O₃質(zhì)量即可解答．
點評：本題難度較大，主要考查學生根據(jù)定量法計算氣體的成分和根據(jù)化學方程式進行計算的能力，對于本題主要是要分析題意，找出建立等式的依據(jù)即可解答．