Question

16．某研究小組為了探究“鐵與水蒸氣”的反應(yīng)的產(chǎn)物，進(jìn)行了下列實驗：用如圖1所示實驗裝置，在硬質(zhì)玻璃管中放入還原鐵粉和石棉絨的混合物，加熱，并通入水蒸氣，就可以完成高溫下“Fe與水蒸氣的反應(yīng)實驗”（石棉絨高溫下不與水和鐵反應(yīng)）．

（1）如何檢查該裝置的氣密性：將C處導(dǎo)氣管末端浸入水槽中，加熱A處圓底燒瓶，導(dǎo)管末端出現(xiàn)氣泡，停止加熱后導(dǎo)管末端出現(xiàn)一段水柱
（2）寫出鐵與水蒸氣反應(yīng)的化學(xué)方程式3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂
（3）驗證固體產(chǎn)物中鐵元素的價態(tài)
限選實驗儀器與試劑：燒杯、試管、玻璃棒、藥匙、滴管、酒精燈、試管夾；1mol/L CuSO₄、3mol/L H₂SO₄、3mol/L HNO₃、30%H₂O₂、0.01mol/L KMnO₄、20%KSCN、蒸餾水．
在答題卡上按下表的格式寫出實驗步驟、預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論．

	實驗步驟	預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論
步驟1	取反應(yīng)后干燥的固體ag于試管中，加入足量的1mol/L CuSO4溶液，充分振蕩，經(jīng)固液分離、洗滌后，再向固體中滴加足量的3mol/LH2SO4，振蕩溶解，過濾后將濾液配成250mL溶液，待用．	-
步驟2	取少量步驟1中濾液于試管中，滴加1～2滴20%KSCN	溶液變紅色，則固體產(chǎn)物含+3價鐵
步驟3	取少量步驟1中濾液于試管中，滴加1～2滴0.01mol/LKMnO4	溶液紫色褪去，則固體產(chǎn)物含+2價鐵

步驟1中加入足量1mol/L CuSO₄溶液的作用是除去反應(yīng)后固體中可能未反應(yīng)完的鐵粉，以免影響后續(xù)實驗的結(jié)果分析．
（4）固體產(chǎn)物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定可采用圖2的流程．其中步驟①是向溶液中加入鋅粉至黃色剛好消失；步驟②用0.010mol/LKMnO₄溶液滴定至終點，消耗KMnO₄溶液平均為v mL．（已知5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O）其中加入鋅粉的目的是將Fe³⁺還原為Fe²⁺．實驗測得ag樣品中固體產(chǎn)物鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25a}$×100%_（只列計算表達(dá)式）．

Answer 1

分析 （1）檢查裝置的氣密性有加熱法和液壓法，從本裝置的情況看，應(yīng)該選用加熱法；
（2）鐵與水蒸氣在加熱條件下反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣，據(jù)此寫出反應(yīng)方程式；
（3）要驗證固體產(chǎn)物中鐵元素的價態(tài)，應(yīng)該先將固體溶解，考慮到可能有鐵單質(zhì)剩余，會與三價鐵離子反應(yīng)，所以要先除去鐵單質(zhì)，選用的試劑是硫酸銅溶液；剩余的固體則應(yīng)用稀硫酸溶解，接著確定檢驗相應(yīng)離子的試劑，三價鐵離子用的是硫氰化鉀溶液，而檢驗二價鐵則從限選試劑中只能用高錳酸鉀溶液，利用二價鐵離子的還原性，據(jù)此進(jìn)行解答；
（4）根據(jù)實驗?zāi)康目膳袛嗉尤脘\粉的作用；結(jié)合反應(yīng)方程式及質(zhì)量守恒定律計算出固體樣品中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

解答 解：（1）利用加熱法檢驗該裝置氣密性，將C處將導(dǎo)管伸入水槽，并微熱A處圓底燒瓶，現(xiàn)象是導(dǎo)管末端出現(xiàn)氣泡，停止加熱后導(dǎo)管末端出現(xiàn)一段水柱，則氣密性良好，
故答案為：將C處導(dǎo)氣管末端浸入水槽中，加熱A處圓底燒瓶，導(dǎo)管末端出現(xiàn)氣泡，停止加熱后導(dǎo)管末端出現(xiàn)一段水柱；
（2）鐵與水蒸氣在高溫下反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂，
故答案為：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂；
（3）驗證固體產(chǎn)物中鐵元素的價態(tài)，先要將固體溶解，但考慮到可能有鐵單質(zhì)剩余，會和三價鐵離子反應(yīng)，所以要先除去鐵單質(zhì)，選用的試劑是硫酸銅溶液，然后，剩余的固體則應(yīng)用稀硫酸溶解（因為硝酸的氧化性會氧化二價鐵），接著確定檢驗相應(yīng)離子的試劑，三價鐵離子用的是硫氰化鉀溶液，而檢驗二價鐵則從限選試劑中只能用高錳酸鉀溶液，利用二價鐵離子的還原性，
故答案為：

	實驗步驟	預(yù)期現(xiàn)象與結(jié)論
步驟1	3mol/L H2SO4
步驟2	滴加1～2滴20%KSCN	溶液變紅色，則固體產(chǎn)物含+3價鐵
步驟3	滴加1～2滴0.01mol/L KMnO4	溶液紫色褪去，則固體產(chǎn)物含+2價鐵

；除去反應(yīng)后固體中可能未反應(yīng)完的鐵粉，以免影響后續(xù)實驗的結(jié)果分析；
（4）實驗?zāi)康氖恰肮腆w產(chǎn)物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定”，所以由”加入鋅粉后溶液的黃色恰好消失“可知，加入鋅粉的密度是用于還原三價鐵離子；
由反應(yīng)5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O可知，n（Fe²⁺）=5n（MnO₄^-），則ag樣品中固體產(chǎn)物鐵元素的質(zhì)量為：m（Fe）=$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25}$，
所以ag樣品中固體產(chǎn)物鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：ω（Fe）=$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25a}$×100%，
故答案為：將Fe³⁺還原為Fe²⁺；$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25a}$×100%．

點評 本題考查鐵及其化合物性質(zhì)，題目難度中等，涉及鐵與水蒸氣的反應(yīng)、氣密性的檢驗、實驗方案設(shè)計、二價鐵、三價鐵離子的檢驗方法等知識，試題知識點較多、充分考查學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)實驗?zāi)芰Γ?/p>