Question

（2011?揚(yáng)州）粗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，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

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(xué)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

提供熱量

．
[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)，按如下裝置進(jìn)行試驗(yàn)，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)原來有空氣對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響）．
（3）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，稱量樣品和必要裝置的質(zhì)量；②點(diǎn)燃A處酒精燈；③緩緩?fù)ㄈ爰儍舾稍锏腍₂；④點(diǎn)燃C處酒精燈；⑤分別熄燈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①③

④②

⑤⑥⑦（填序號(hào)）；
（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(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(hù)作用

 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，則m與n的關(guān)系為

C

A.11m=9n     B.11m＜9n     C.11m＞9n
若缺少裝置D，則所測(cè)氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將

等于

（填“偏大”、“偏小”或“等于”．下同）．碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?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．計(jì)算樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（要求計(jì)算過程）．

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(shí)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(shí)發(fā)生反應(yīng)，生成的水與甲烷通過裝置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)；
（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(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(hù)作用 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當(dāng)只有甲烷參與反應(yīng)時(shí)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(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）．碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)現(xiàn)，當(dāng)D不存在時(shí)，導(dǎo)致部分水被E吸收，而被誤當(dāng)成二氧化碳進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致碳元素質(zhì)量增加，進(jìn)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(jì)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(yīng)生成鐵與二氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)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(shí)應(yīng)先將C處酒精燈點(diǎn)燃，然后再點(diǎn)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(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(hù)作用 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當(dāng)只有甲烷參與反應(yīng)時(shí)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
      

3×44

6×18

=

n

m

 

n

m

=

11

9

由于是加熱C在前，所以導(dǎo)致會(huì)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(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）．碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)現(xiàn)，當(dāng)D不存在時(shí)，導(dǎo)致部分水被E吸收，而被誤當(dāng)成二氧化碳進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致碳元素質(zhì)量增加，進(jìn)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)=

0.060g

10.000g

×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.6%、0.6%．
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(hù)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(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?jǐn)?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?jǐn)?shù)=

0.060g

10.000g

×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.6%、0.6%．

點(diǎn)評(píng)：通過對(duì)鐵冶煉原理的知識(shí)遷移，理解該題的實(shí)驗(yàn)過程及目的，考查了知識(shí)的運(yùn)用及實(shí)驗(yàn)分析的能力．