Question

8．水蒸氣通過熾熱的焦炭可以得到水煤氣（主要成分是CO和H₂），化學(xué)方程式為C+H₂O（氣）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂，該反應(yīng)是置換反應(yīng)（填基本反應(yīng)類型）．某興趣小組的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室模擬了水煤氣的制備，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水煤氣中含有CO和H₂．
【查閱資料】白色的無水硫酸銅遇水會(huì)變成藍(lán)色．
【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】甲同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：

寫出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：B中固體變紅，C中固體變藍(lán)，D中溶液變渾濁．
【改進(jìn)實(shí)驗(yàn)】乙同學(xué)認(rèn)為要想達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，在裝置A、B之間還需增加裝置F、G，其中F的作用是除去水蒸氣，G的作用是檢驗(yàn)水蒸氣是否已被全部除去．
【拓展探究】CO和H₂的混合氣在工業(yè)上可用于合成一系列化工原料和新型燃料，還可用于冶煉某些金屬．
（1）“綠色化學(xué)”能實(shí)現(xiàn)零排放（即反應(yīng)物中的原子利用率達(dá)到100%）．根據(jù)零排放的要求，不可能以CO和H₂為原料合成的有機(jī)物是B（填字母）．
A．甲醇（CH₃OH）   B．乙醇（C₂H₅OH）   C．甲醛（CH₂O）   D．乙酸（CH₃COOH）
（2）若用CO和H₂的混合氣冶煉鐵，混合氣所起的作用是將鐵從鐵礦石中還原出來（或“作還原劑”）．
鐵元素可以形成3種氧化物，分別是Fe₂O₃、Fe₃O₄ 和FeO（黑色）．如圖所示實(shí)驗(yàn)中，黑色粉末可能為一種或幾種鐵的氧化物，充分反應(yīng)至鐵的氧化物全部轉(zhuǎn)化為鐵，裝置I的增重為3.6g，裝置J的增重為6.6g，假設(shè)每一步吸收都是完全的，黑色粉末為Fe₃O₄和FeO的混合物．

Answer 1

分析 根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)來分析；
【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】根據(jù)氫氣和一氧化碳具有還原性、二氧化碳能使澄清的石灰水變渾濁來分析；
【實(shí)驗(yàn)改進(jìn)】根據(jù)反應(yīng)物水蒸氣是否完全參加反應(yīng)來分析；
【拓展探究】根據(jù)質(zhì)量守恒定律和化合反應(yīng)的定義和特點(diǎn)判斷，主要是利用反應(yīng)前后原子的種類不變，其數(shù)目比保持不變分析判斷．
根據(jù)CO和H₂具有還原性分析在冶煉鐵的生產(chǎn)過程中所起的作用；
根據(jù)粉末的顏色以及化合物中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來分析．

解答 解：反應(yīng)物一種單質(zhì)、一種是化合物，生成物一種是單質(zhì)、一種是化合物，符合置換反應(yīng)的概念．故答案為：置換；
【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】當(dāng)水蒸氣通過裝置A后，得到了氫氣和一氧化碳，兩種氣體均具有還原性，在加熱的條件下能將氧化銅還原為金屬銅，故觀察到黑色固體慢慢變成紅色；一氧化碳與氧化銅反應(yīng)生成了二氧化碳，二氧化碳與氫氧化鈣溶液反應(yīng)生成碳酸鈣白色沉淀和水，所以觀察到澄清的石灰水變渾濁；故填：變紅；變渾濁；
【改進(jìn)實(shí)驗(yàn)】一氧化碳與碳可能沒有完全反應(yīng)而有剩余，對后面的實(shí)驗(yàn)起到了干擾的作用，所以在裝置A、B之間還需增加裝置F、G，其中F的作用是除去水蒸氣，G的作用是檢驗(yàn)水蒸氣是否已被全部除去；故填：除去水蒸氣；檢驗(yàn)水蒸氣是否已被全部除去；
【拓展探究】（1）：“綠色化學(xué)”能實(shí)現(xiàn)零排放，即反應(yīng)物中的原子利用率達(dá)到100%，也就是說反應(yīng)類型一般是化合反應(yīng)，且反應(yīng)后產(chǎn)物中的各原子數(shù)目比不變，CO和H₂在一定條件下按照不同的比例反應(yīng)，可假定反應(yīng)時(shí)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為m：n，則只要各選項(xiàng)中的化學(xué)式能化為形式（CO）_m（H₂）_n，都是正確的．
A、甲醇（CH₄O）可變?yōu)椋–O）₁（H₂）₂，所以正確．
B、乙醇（C₂H₆O）不能化為形式（CO）_m（H₂）_n，所以錯(cuò)誤．
C、甲醛（CH₂O）可變?yōu)椋–O）₁（H₂）₁，所以正確．
D、乙酸（C₂H₄O₂）可變?yōu)椋–O）₂（H₂）₂，所以正確．
故選B．
（2）合成氣（CO和H₂）具有還原性，在冶煉鐵的生產(chǎn)過程中所起的作用是將鐵從礦石中還原出來．故填：將鐵從鐵礦石中還原出來（或“作還原劑”）；
因?yàn)樵摶旌衔锸呛谏�粉末，所以其中不含氧化鐵，裝置I的增重為3.6g，即氫氣還原氧化銅生成水的質(zhì)量為3.6g，其中的氧元素完全來自鐵的氧化物，氧元素的質(zhì)量為：3.6g×$\frac{16}{18}×100%$=3.2g；裝置J的增重為6.6g，增重的質(zhì)量為一氧化碳還原金屬氧化物生成的二氧化碳的質(zhì)量，由于CO--CO₂--O，那么來自于鐵的氧化物的氧元素的質(zhì)量為：6.6g×$\frac{16}{44}×100%$=2.4g．該黑色粉末中，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：$\frac{3.2g+2.4g}{22.4g}×100%$=25%；四氧化三鐵中，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：$\frac{64}{232}×100%$≈27.6%，氧化亞鐵中，氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{16}{72}×100%$≈22.2%．因?yàn)?2.2%＜25%＜27.6%，所以該黑色粉末是四氧化三鐵與氧化亞鐵的混合物，故填：Fe₃O₄ 和FeO的混合物．

點(diǎn)評 本題主要考查了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題，有關(guān)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和對實(shí)驗(yàn)方案的評價(jià)是中考的熱點(diǎn)之一，解答計(jì)算時(shí)要據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)和方程式細(xì)心分析解答．