Question

精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雜質(zhì)，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應(yīng)方程式為：FexOy+yH₂

高溫  .

xFe+yH₂O      Fe₃C+2H₂

高溫  .

3Fe+CH₄
（1）寫出焙燒中氧化鐵與CO反應(yīng)的化學方程式

Fe₂O₃+3CO

高溫  .

2Fe+3CO₂；

．
（2）焙燒中加焦炭的作用除了可以生成CO外，還能

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(yīng)得以發(fā)生

．
[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)，按如下裝置進行實驗．
已知：3CH₄+4Fe₂O₃

高溫  .

3CO₂+6H₂O+8Fe（假設(shè)每步反應(yīng)都完全且不考慮裝置內(nèi)原有空氣對測定結(jié)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?fù)ㄈ爰儍舾稍锏腍₂；④點燃C處酒精燈；⑤分別熄滅A、C處酒精燈；⑥再緩緩?fù)ㄈ肷倭縃₂；⑦再次稱量必要裝置的質(zhì)量．操作的先后順序是①→③→

④

→

②

→⑤→⑥→⑦（填序號）
（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m g和n g，則m與n的關(guān)系為

C

（填字母）；
         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

不變

（“偏大”、“偏小”或“不變”，下同），碳元素的質(zhì)量分數(shù)將

偏大

．
（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，則計算樣品中ω_O=

1.6%

；
ω_C=

0.6%

．
（7）若缺少裝置F，則所測氧元素的質(zhì)量分數(shù)將

偏大

（“偏大”、“偏小”或“不變”，下同），碳元素的質(zhì)量分數(shù)將

偏大

．

Answer 1

分析：（1）CO具有還原性，能與氧化鐵反應(yīng)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(yīng)的發(fā)生；
（3）裝置A在加熱時發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)；
（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(yīng)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(guān)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(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(dǎo)致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導(dǎo)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(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)量可計算出粗還原鐵粉中所含碳元素質(zhì)量；
（7）堿石灰吸收來自空氣的水分和二氧化碳．

解答：解：（1）氧化鐵在高溫條件下能與CO發(fā)生反應(yīng)生成鐵與二氧化碳，反應(yīng)的化學方程式為
Fe₂O₃+3CO

高溫  .

2Fe+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(yīng)得以發(fā)生；
（3）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)，操作時應(yīng)先將C處酒精燈點燃，然后再點燃A處酒精處；故選④②；
（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(yīng)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(guān)系．3CH₄+4Fe₂O₃

△   .

8Fe+3CO₂+6H₂O
                           3×44  6×18
                             n      m
則列式為：

3×44

6×18

=

n

m

，則

n

m

=

11

9

，由于是加熱C在前，所以導(dǎo)致會先生成水，導(dǎo)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(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(dǎo)致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導(dǎo)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(yīng)生成水的質(zhì)量為0.180g，生成水中氧元素質(zhì)量=0.180g×

16

18

×100%=0.160g；樣品中氧元素的質(zhì)量分數(shù)=

0.160g

10.000g

×100%=1.6%
裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應(yīng)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×

12

44

×100%=0.060g；樣品中碳元素的質(zhì)量分數(shù)=

0.160g

10.000g

×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%．
（7）F裝置中堿石灰是防止空氣中二氧化碳、水蒸氣進入E裝置中，影響實驗的測定．如果缺少裝置F，則所測氧元素的質(zhì)量分數(shù)將偏大，碳元素的質(zhì)量分數(shù)將偏大．
故答案為：
（1）Fe₂O₃+3CO

高溫  .

2Fe+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）1.6%、0.6%．   （7）偏大；偏大

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．