Question

10．某學生對鐵與水蒸氣反應進行實驗探究：

操作	現象或結果
I．取m g 鐵粉，在水蒸氣中加熱一段時間	灰黑色鐵粉變成黑色
II．用排水集氣法收集一小試管氣體，移近到燃著 的酒精燈火焰	發(fā)出爆鳴聲
III．將黑色固體干燥、稱量	得到n g 黑色固體
IV．將黑色固體加入到過量的鹽酸中	固體溶解，有少量氣體生成，得到黃色溶液

（1）鐵粉和水蒸氣反應的化學方程式3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂．
（2）操作II檢驗反應生成了氫氣，說明水具有氧化性（填“氧化性”或“還原性”）．
（3）為檢驗黑色固體成分，取操作IV得到的黃色溶液于兩試管中，分別進行如下實驗：
a．向試管1中滴加2滴KSCN溶液，溶液變紅色；
b．向試管2中滴加2滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，出現藍色沉淀．
①實驗a的目的是檢驗黃色溶液中存在Fe³⁺．
②由實驗a、b不能判斷黑色固體是磁性氧化鐵，依據是操作IV中有少量氣體生成，未反應完的鐵也可以和鹽酸反應生成Fe²⁺．
③該同學通過計算證實了黑色固體一定不是磁性氧化鐵純凈物，n≠1.38m．（用m的表達式表示）
（4）資料表明：鐵件與水蒸氣反應，在表面生成的磁性氧化鐵膜可對鐵件起到防護作用．運用圖1所示裝置對該資料進行驗證（已知：用銅片、鐵件X、電解液構成原電池；氧化膜有保護時，電壓會減小）．

a．當Y為飽和氯化鈉時，實驗結果如下表：

X	U/V
純鐵片	0.91
表面有磁性氧化鐵膜的鐵片	U1

依據U₁＜0.91（V），證明該條件下磁性氧化鐵膜有保護作用．
b．表面有磁性氧化鐵膜但存在少量缺陷的鐵片作X，分別用0.1mol/LH₂SO₄溶液和0.1mol/L CuSO₄溶液作Y進行驗證實驗，得到圖2：
①Y₂代表的溶液是0.1mol/LCuSO₄溶液．
②用離子方程式解釋Y₁曲線變化的原因：Fe₃O₄+8H⁺=Fe²⁺+2Fe³⁺+4H₂O．．

Answer 1

分析 I．取m g 鐵粉，在水蒸氣中加熱一段時間，灰黑色鐵粉變成黑色，說明加熱條件下鐵與水蒸氣反應；
II．用排水集氣法收集一小試管氣體，移近到燃著的酒精燈火焰，發(fā)出爆鳴聲，說明生成氫氣；
III．將黑色固體干燥、稱量，得到n g 黑色固體；
IV．將黑色固體加入到過量的鹽酸中，固體溶解，有少量氣體生成，應生成氫氣，說明鐵剩余，得到黃色溶液，說明生成Fe³⁺，
（1）鐵粉和水蒸氣反應生成氫氣和四氧化三鐵；
（2）操作II檢驗反應生成了氫氣，說明水水被還原生成氫氣；
（3）為檢驗黑色固體成分，取操作IV得到的黃色溶液于兩試管中，分別進行如下實驗：
a．向試管1中滴加2滴KSCN溶液，溶液變紅色，說明含有Fe³⁺；
b．向試管2中滴加2滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，出現藍色沉淀，說明含有Fe²⁺；
如m g 鐵粉生成ngFe₃O₄，則應滿足$\frac{m}{56}$=3×$\frac{n}{232}$；
（4）純鐵片電壓為0.91V，則如有磁性氧化鐵膜，電壓應變小；
表面有磁性氧化鐵膜但存在少量缺陷的鐵片作X，分別用0.1mol/LH₂SO₄溶液和0.1mol/L CuSO₄溶液作Y進行驗證實驗，加入硫酸的可使磁性氧化鐵溶解，電壓增大，而加入硫酸銅的溶液，鐵置換出銅覆蓋在表面，電壓減�。�

解答 解：I．取m g 鐵粉，在水蒸氣中加熱一段時間，灰黑色鐵粉變成黑色，說明加熱條件下鐵與水蒸氣反應；
II．用排水集氣法收集一小試管氣體，移近到燃著的酒精燈火焰，發(fā)出爆鳴聲，說明生成氫氣；
III．將黑色固體干燥、稱量，得到n g 黑色固體；
IV．將黑色固體加入到過量的鹽酸中，固體溶解，有少量氣體生成，應生成氫氣，說明鐵剩余，得到黃色溶液，說明生成Fe³⁺，
（1）鐵粉和水蒸氣反應生成氫氣和四氧化三鐵，方程式為3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂，
故答案為：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂；
（2）操作II檢驗反應生成了氫氣，說明水水被還原生成氫氣，水表現為氧化性，故答案為：氧化性；
（3）為檢驗黑色固體成分，取操作IV得到的黃色溶液于兩試管中，分別進行如下實驗：
a．向試管1中滴加2滴KSCN溶液，溶液變紅色，說明含有Fe³⁺；
b．向試管2中滴加2滴K₃[Fe（CN）₆]溶液，出現藍色沉淀，說明含有Fe²⁺，
①KSCN溶液用于檢驗鐵離子，故答案為：檢驗黃色溶液中存在Fe³⁺；
②由于操作IV中有少量氣體生成，未反應完的鐵也可以和鹽酸反應生成Fe²⁺，則由實驗a、b不能判斷黑色固體是磁性氧化鐵，
故答案為：操作IV中有少量氣體生成，未反應完的鐵也可以和鹽酸反應生成Fe²⁺；
③如m g 鐵粉生成ngFe₃O₄，則應滿足$\frac{m}{56}$=3×$\frac{n}{232}$，n=1.38m，黑色固體一定不是磁性氧化鐵純凈物，n≠1.38m，
故答案為：1.38m；
（4）a．純鐵片電壓為0.91V，則如有磁性氧化鐵膜，電壓應變小，故答案為：U₁＜0.91（V）；
b．①表面有磁性氧化鐵膜但存在少量缺陷的鐵片作X，分別用0.1mol/LH₂SO₄溶液和0.1mol/L CuSO₄溶液作Y進行驗證實驗，加入硫酸的可使磁性氧化鐵溶解，電壓增大，而加入硫酸銅的溶液，鐵置換出銅覆蓋在表面，電壓減小，
故答案為：0.1mol/L CuSO₄溶液；
②Y₁曲線變化表示電壓增大，說明四氧化三鐵溶解，離子方程式為Fe₃O₄+8H⁺=Fe²⁺+2Fe³⁺+4H₂O，
故答案為：Fe₃O₄+8H⁺=Fe²⁺+2Fe³⁺+4H₂O．

點評 本題鐵及其化合物的性質實驗，為高頻考點，側重于學生的分析、計算和實驗能力的考查，題目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，并會結合方程式分析即可順利解答．關于金屬的活動性順序及其應用的探究，通過實驗現象、對實驗方法和過程的探究，在比較鑒別的基礎上，得出了正確的實驗結論．