Question

【題目】早在春秋戰(zhàn)國時期，我國就開始生產(chǎn)和使用鐵器。工業(yè)煉鐵把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐，在高溫下，利用焦炭與氧氣反應(yīng)生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來。

一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為： 。其中，石灰石起的作用是 。

（一）甲組同學(xué)在學(xué)習(xí)煉鐵的相關(guān)內(nèi)容時，對煉鐵時還原劑的選擇進(jìn)行了如下探究。

【提出問題】

單質(zhì)碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為 。為什么工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？

【猜想與假設(shè)】

焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)不易完全。

【進(jìn)行實驗】

①稱取兩份相同質(zhì)量的氧化鐵粉末。一份與足量的碳粉均勻混合放入圖1裝置A的試管中；另一份放入圖1裝置B的玻璃管中。

②圖1裝置A和B兩組實驗同時開始進(jìn)行。在圖1裝置B的反應(yīng)中，實驗開始前應(yīng)先 （選填“通CO”或“加熱”）； 實驗結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫，其原因是 。

【實驗現(xiàn)象】

當(dāng)圖1裝置B的玻璃管中固體完全由 時（選填“紅色變?yōu)楹谏?/span>”或“黑色變?yōu)榧t色”），圖1裝置A的試管中仍有 。

【解釋與結(jié)論】

焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)確實不易完全，這可能是工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因。

【完善實驗】

聯(lián)想到單質(zhì)碳的一些化學(xué)性質(zhì)，甲同學(xué)認(rèn)為在碳還原氧化鐵的反應(yīng)中可能還會有CO產(chǎn)生。為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO2，將該氣體通過圖2的檢驗裝置。圖2A裝置中的試劑是（寫名稱，下同） ，圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；證明原混合氣體中CO2存在的化學(xué)方程式 ；證明原混合氣體中CO存在的實驗現(xiàn)象是 ；經(jīng)過檢驗，證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有CO和CO2。

（二）精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進(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雜質(zhì)，可用氫氣在高溫下進(jìn)一步還原，其反應(yīng)方程式為

FexOy+yH2xFe+yH2O，Fe3C+2H23Fe+CH4。

【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?jǐn)?shù)，按圖裝置進(jìn)行實驗。

已知3CH4+4Fe2O33CO2+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）。

（1）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緩緩?fù)ㄈ爰儍舾稍锏?/span>H2；

③點燃酒精燈， （填“先點A處，后點C處”或“先點C處，后點A處”）；

④分別熄滅A處、C處酒精燈；

⑤再緩緩?fù)ㄈ肷倭?/span>H2；

⑥再次稱量必要裝置的質(zhì)量

（2）步驟②的目的是 ，驗證該步驟目的達(dá)到的實驗方法是 ；

（3）若缺少裝置D，則所測氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將 （填“偏大”，“偏小”或“不變”）。

（4）粗還原鐵粉樣品的質(zhì)量為15.000g，裝置B、E分別增重0.270g和0.330g，則計算樣品出中碳、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是 。（列出計算過程，2分）

Answer 1

【答案】3CO+Fe2O32Fe+3CO2；將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去的。

（一）【提出問題】3C+2Fe2O3高溫4Fe+3CO2↑

【進(jìn)行實驗】②通CO；防止液體倒吸進(jìn)入硬質(zhì)粗玻璃管，造成炸裂且防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化。

【實驗現(xiàn)象】紅色變?yōu)楹谏�；紅色物質(zhì)。

【完善實驗】澄清石灰水；Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O；黑色粉末變成紅色。

（二）（1）③先點C處，后點A處。（2）排盡空氣，防止爆炸；收集尾氣，進(jìn)行驗純。

（3）不變（4）w（C）=0.6%；w（O）=1.6%。

【解析】

試題分析∶根據(jù)所學(xué)知識和題中信息知，工業(yè)煉鐵把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐，在高溫下，利用焦炭與氧氣反應(yīng)生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來。一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為：3CO+Fe2O3高溫2Fe+3CO2；其中，石灰石起的作用是將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去的。（一）甲組同學(xué)在學(xué)習(xí)煉鐵的相關(guān)內(nèi)容時，對煉鐵時還原劑的選擇進(jìn)行了如下探究�！咎岢鰡栴}】單質(zhì)碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為3C+2Fe2O3高溫4Fe+3CO2↑。為什么工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？【猜想與假設(shè)】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)不易完全�！具M(jìn)行實驗】①稱取兩份相同質(zhì)量的氧化鐵粉末。一份與足量的碳粉均勻混合放入圖1裝置A的試管中；另一份放入圖1裝置B的玻璃管中。②圖1裝置A和B兩組實驗同時開始進(jìn)行。在圖1裝置B的反應(yīng)中，實驗開始前應(yīng)先通CO；實驗結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫，其原因是防止液體倒吸進(jìn)入硬質(zhì)粗玻璃管，造成炸裂且防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化�！緦嶒灛F(xiàn)象】當(dāng)圖1裝置B的玻璃管中固體完全由紅色變?yōu)楹谏珪r；圖1裝置A的試管中仍有紅色物質(zhì)。【解釋與結(jié)論】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)確實不易完全，這可能是工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因�！就晟茖嶒灐考淄瑢W(xué)認(rèn)為在碳還原氧化鐵的反應(yīng)中可能還會有CO產(chǎn)生。為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO2，將該氣體通過圖2的檢驗裝置。圖2A裝置中的試劑是澄清石灰水；圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；證明原混合氣體中CO2存在的化學(xué)方程式是Ca（OH﹚2+CO2=CaCO3↓+H2O；證明原混合氣體中CO存在的實驗現(xiàn)象是黑色粉末變成紅色。經(jīng)過檢驗，證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有CO和CO2。（二）精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進(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雜質(zhì)，可用氫氣在高溫下進(jìn)一步還原，其反應(yīng)方程式為FexOy+yH2高溫xFe+yH2O，Fe3C+2H2高溫3Fe+CH4�！竞�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?jǐn)?shù)，按圖裝置進(jìn)行實驗。已知3CH4+4Fe2O3高溫3CO2+6H2O+8Fe（1）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緩緩?fù)ㄈ爰儍舾稍锏?/span>H2；③點燃酒精燈，先點C處，后點A處。④分別熄滅A處、C處酒精燈；⑤再緩緩?fù)ㄈ肷倭?/span>H2；⑥再次稱量必要裝置的質(zhì)量。（2）步驟②的目的是排盡空氣，防止爆炸；驗證該步驟目的達(dá)到的實驗方法是收集尾氣，進(jìn)行驗純。（3）若缺少裝置D，則所測氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將不變。（4）粗還原鐵粉樣品的質(zhì)量為15.000g，裝置B、E分別增重0.270g和0.330g，則計算樣品出中碳、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是∶0.330g×﹙12／44×100％﹚／15.0g×100％＝0.6%；0.270g×﹙16／18×100％﹚／15.0g×100％＝1.6%。

考點∶考查實驗探究的基本思路和方法。