Question

【题目】早在春秋战国时期，我国就开始生产和使用铁器。工业炼铁把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。
（1）一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为：。其中，石灰石起的作用是。
（2）（一）甲组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究。
【提出问题】
单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为。为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？
（3）【猜想与假设】
焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全。
【进行实验】
①称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入图1装置A的试管中；另一份放入图1装置B的玻璃管中。

②图1装置A和B两组实验同时开始进行。在图1装置B的反应中，实验开始前应先（选填“通CO”或“加热”）； 实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是。
（4）【实验现象】
当图1装置B的玻璃管中固体完全由时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），图1装置A的试管中仍有。
（5）【解释与结论】
焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。
【完善实验】
联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生。为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO2 ， 将该气体通过图2的检验装置。图2A装置中的试剂是（写名称，下同） ， 图2B装置中的试剂是氢氧化钠溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；证明原混合气体中CO2存在的化学方程式；证明原混合气体中CO存在的实验现象是；经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO2。
（6）（二）精还原铁粉是一种重要的化工原料，某兴趣小组对其进行下列研究：
【物质制备】
利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下：

粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe3C杂质，可用氢气在高温下进一步还原，其反应方程式为FexOy+yH2 xFe+yH2O，Fe3C+2H2 3Fe+CH4。
【含量测定】

为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数，按图装置进行实验。
已知3CH4+4Fe2O3 3CO2+6H2O+8Fe（假设每步反应都完全，且不考虑装置内原有空气对测定结果的影响）。
主要实验步骤如下：
①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，称量样品和必要装置的质量；
②缓缓通入纯净干燥的H2；
③点燃酒精灯，（填“先点A处，后点C处”或“先点C处，后点A处”）；
④分别熄灭A处、C处酒精灯；
⑤再缓缓通入少量H2；
⑥再次称量必要装置的质量
（7）步骤②的目的是 ， 验证该步骤目的达到的实验方法是；
（8）若缺少装置D，则所测氧元素的质量分数将（填“偏大”，“偏小”或“不变”）。
（9）粗还原铁粉样品的质量为15.000g，装置B、E分别增重0.270g和0.330g，则计算样品出中碳、氧元素的质量分数分别是。（列出计算过程）

Answer 1

【答案】
（1）3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2,将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的
（2）3C+2Fe2O34Fe+3CO2↑
（3）通CO,防止液体倒吸进入硬质粗玻璃管,造成炸裂且防止高温下铁又被进入的空气氧化
（4）红色变为黑色,红色物质
（5）澄清石灰水,Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O,黑色粉末变成红色
（6）先点C处,后点A处
（7）排尽空气,防止爆炸,收集尾气,进行验纯
（8）不变
（9）解：粗还原铁粉样品的质量为15.000g,装置B、E分别增重0.270g和0.330g,则计算样品出中碳、氧元素的质量分数分别是∶0.330g×﹙12／44×100％﹚／15.0g×100％＝0.6%；0.270g×﹙16／18×100％﹚／15.0g×100％＝1.6%。
【解析】解：根据所学知识和题中信息知，工业炼铁把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为：3CO+Fe2O32Fe+3CO2；其中，石灰石起的作用是将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的。（一）甲组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究。【提出问题】单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为3C+2Fe2O34Fe+3CO2↑。为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？【猜想与假设】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全。【进行实验】①称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入图1装置A的试管中；另一份放入图1装置B的玻璃管中。②图1装置A和B两组实验同时开始进行。在图1装置B的反应中，实验开始前应先通CO；实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是防止液体倒吸进入硬质粗玻璃管，造成炸裂且防止高温下铁又被进入的空气氧化。【实验现象】当图1装置B的玻璃管中固体完全由红色变为黑色时；图1装置A的试管中仍有红色物质。【解释与结论】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。【完善实验】甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生。为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO2，将该气体通过图2的检验装置。图2A装置中的试剂是澄清石灰水；图2B装置中的试剂是氢氧化钠溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；证明原混合气体中CO2存在的化学方程式是Ca（OH﹚2+CO2=CaCO3↓+H2O；证明原混合气体中CO存在的实验现象是黑色粉末变成红色。经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO2。（二）精还原铁粉是一种重要的化工原料，某兴趣小组对其进行下列研究：【物质制备】利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下：粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe3C杂质，可用氢气在高温下进一步还原，其反应方程式为FexOy+yH2xFe+yH2O，Fe3C+2H23Fe+CH4。【含量测定】为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数，按图装置进行实验。已知3CH4+4Fe2O33CO2+6H2O+8Fe（6）主要实验步骤如下：①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，称量样品和必要装置的质量；②缓缓通入纯净干燥的H2；③点燃酒精灯，先点C处，后点A处。④分别熄灭A处、C处酒精灯；⑤再缓缓通入少量H2；⑥再次称量必要装置的质量。（7）步骤②的目的是排尽空气，防止爆炸；验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气，进行验纯。（8）若缺少装置D，则所测氧元素的质量分数将不变。
所以答案是：（1）3CO+Fe2O32Fe+3CO2；将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的；（2）3C+2Fe2O34Fe+3CO2↑；（3）通入CO；防止液体倒吸进入硬质粗玻璃管，造成炸裂且防止高温下铁又被进入的空气氧化；（4）红色变为黑色；红色物质；（5）澄清石灰水；Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O；黑色粉末变成红色；（6）先点C处，后点A处；（7）排尽空气，防止爆炸；收集尾气，进行验纯；（8）不变；（9）0.6%；1.6%。

【考点精析】解答此题的关键在于理解铁的冶炼的相关知识，掌握铁冶炼的原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气；常见的铁矿石有磁铁矿（主要成分是Fe3O4 ）、赤铁矿（主要成分是Fe2O3 ），以及对碳的化学性质的理解，了解各种单质碳的化学性质却完全相同；1、常温下的稳定性强2、可燃性:完全燃烧(氧气充足),生成CO2；不完全燃烧 (氧气不充足),生成CO；3、还原性：应用：冶金工业；现象：黑色粉末逐渐变成光亮红色，石灰水变浑浊．