Question

某兴趣小组在复习铁的冶炼时，在参考资料上发现以下一段文字：已知在不同的温度下，CO与铁的氧化物反应能生成另一种铁的氧化物（或铁单质）和CO₂．他们不禁产生了疑问：课本上册124页的实验中，CO与Fe₂O₃反应生成的黑色物质真的是Fe粉吗？于是他们进行了以下探究．
[查阅资料]
资料一：Fe粉和Fe₃O₄粉末能被磁铁吸引而FeO（黑色）不能；
资料二：Fe₃O₄中铁元素有+2、+3两种化合价，其化学式可用FeO?Fe₂O₃ 的形式表示；
[提出猜想]黑色物质可能是Fe₃O₄、FeO和Fe粉中的一种或几种．
[进行实验]兴趣小组收集了CO与Fe₂O₃反应生成的黑色物质进行了下列实验：

	实验方案	实验现象
甲	取少量黑色物质用磁铁吸引	黑色物质全部被磁铁吸引
乙	取少量黑色物质加入30%热的盐酸中	无气泡、溶液颜色变成黄绿色
丙	取少量黑色物质加入硫酸铜溶液中	无任何现象

[实验结论]
（1）甲实验现象说明黑色物质中没有________，乙、丙实验现象说明黑色物质中没有________；
（2）生成的黑色物质应为Fe₃O₄；
（3）写出黑色粉末和热的盐酸反应的化学方程式________；
[拓展探究]同学们对Fe₃O₄产生了兴趣，从参考资料中找到了氧化沉淀法生产复印用高档Fe₃O₄粉的工艺流程简图．
[生产流程]

[查阅资料]
资料一：硫酸亚铁在不同温度下的溶解度如表所示：

温度/℃	0	10	30	50	60	70	80	90
溶解度/g	14.0	17.0	25.0	33.0	35.3	33.0	30.5	27.0

资料二：Fe（OH）₂受氧气氧化反应原理为：4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₃
资料三：获得Fe₃O₄的反应原理为：Fe（OH）₂+2Fe（OH）₃Fe₃O₄+4H₂O
[问题讨论]
（1）溶解时，用50℃至80℃的热水目的是________．
（2）写出加入适量NaOH溶液时发生反应的化学方程式________．
（3）上述过程中，要控制“通一定量空气”的目的是________．
（4）要使四氧化三铁的产率最高，则上述流程中产生的Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的最佳质量比为________．
（5）副产品P是硫酸钠，由溶液N获得该副产品的操作顺序是b→________→________→d．
a．过滤　 b．加热浓缩　　 c．冷却结晶　　d．晶体加热至完全失去结晶水
[组成确定]为确定用以上方法制得的四氧化三铁中可能含有的杂质，同学们又进行了下列实验探究．
[查阅资料]
资料一：难溶性碱受热时能分解产生金属氧化物和水（反应中各种元素的化合价不变）；
资料二：Fe₂O₃和CO反应是随温度升高而逐步进行的，先生成Fe₃O₄，再生成FeO（黑色），最后生成Fe；
[提出猜想]Fe₃O₄中可能含有的杂质是Fe₂O₃和FeO中的一种或两种．
[实验设计]同学们称取了23.28g该Fe₃O₄样品进行了下列实验：

[实验分析]因探究思路不同，兴趣小组分成甲、乙两小组．
甲组：
（1）该组同学欲通过B装置反应前后的质量变化来计算确认该Fe₃O₄样品中的杂质．
B中的最佳试剂是________（填序号）
①澄清石灰水　　 ②氢氧化钠浓溶液　 ③稀盐酸　　　　 ④水
（2）上述实验过程中，CO气体除作为反应物外，能起到的作用是：
①实验开始时，排尽装置中的空气，防止________；
②停止加热后，继续通CO气体，防止________，以及B中的溶液倒吸入A中；
在本实验中，CO气体还能起到的作用是③________．
（3）尾气如何处理？________．
乙组：
利用仪器测定并绘制成反应过程中A装置中玻璃管内的固体质量随温度的变化曲线（如图）

（1）写出BC段发生反应的化学方程式：________；
（2）通过分析计算确定：该Fe₃O₄样品中含有的杂质是________．（不需要写过程）

Answer 1

解：（1）由题意可知，在甲的操作中黑色物质全部被磁铁吸引．说明了黑色物质中没有FeO．在乙、丙实验中，黑色物质不能与盐酸、硫酸铜反应，说明了黑色物质中没有Fe；
（3）Fe₃O₄与盐酸反应生成氯化亚铁、氯化铁和水，反应的化学方程式为：Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O；
[问题讨论]（1）根据图表中的信息可知，在50℃至80℃的热水中，硫酸亚铁的溶解度较大，利于溶解更多的硫酸亚铁，提高产率；
（2）氢氧化钠和硫酸亚铁反应生成氢氧化亚铁和硫酸钠，反应的化学方程式为2NaOH+FeSO₄═Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄；
（3）上述过程中，要控制“通一定量空气”的目的是控制Fe（OH）₂ 转化为Fe（OH）₃的量[或防止Fe（OH）₂ 完全转化为Fe（OH）₃]；
（4）要使四氧化三铁的产率最高，则上述流程中产生的Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的个数比为1：2，所以最佳质量比为90：214（或45：107）；
（5）根据硫酸钠晶体的溶解度随温度的升高而增大，采用加热浓缩、冷却结晶的方法，再过滤，晶体加热至完全失去结晶水，得到硫酸钠；操作顺序是b→C→a→d；
【实验分析】甲组：（1）氢氧化钙的溶解性很小，不能保证把生成的二氧化碳全部吸收；二氧化碳溶解水的能力也不大，不能保证把生成的二氧化碳全部吸收；稀盐酸和二氧化碳不反应；只有氢氧化钠溶液保证把生成的二氧化碳全部吸收，故选用氢氧化钠浓溶液；
（2）上述实验过程中，CO气体除作为反应物外，还能起到的作用是：①实验开始时，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸；②停止加热后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；③将装置中的CO₂送入NaOH溶液中；
（3）CO从B中溶液里逸出时会带出部分水蒸气，而影响计算样品中杂质的质量；
乙组：（1）由资料可知，BC段发生反应的化学方程式：Fe₃O₄+CO3FeO+CO₂；
（2）到700℃时只剩下铁，即此时氧化铁被一氧化碳还原为铁单质．则混合物中铁元素的质量分数=×100%=72.16%，而Fe₃O₄铁元素的质量分数=×100%=72.4%；FeO铁元素的质量分数=×100%≈77.8%；Fe₂O₃铁元素的质量分数=×100%=70%，所以该Fe₃O₄样品中含有的杂质是Fe₂O₃ ．
故答为：【实验结论】（1）FeO，Fe； （3）Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O；
【问题讨论】（1）50℃至80℃时FeSO₄的溶解度较大；（2）2NaOH+FeSO₄═Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄；（3）防止Fe（OH）₂被完全氧化；（4）45：107；（5）c，a；
【实验分析】甲组：（1）②；（2）①防止爆炸； ②防止生成物被氧化； ③让二氧化碳全部进入B瓶中；（3）点燃
乙组：（1）Fe₃O₄+CO3FeO+CO₂；（2）Fe₂O₃
分析：[实验结论]（1）根据题意FeO不能被磁铁吸引分析甲，根据铁能与盐酸、硫酸铜反应的性质分析乙、丙；
（3）根据金属氧化物与盐酸生盐和水，写出反应的方程式；
[问题讨论]（1）根据硫酸亚铁的溶解度与温度的关系进行解答；
（2）根据碱和盐反应进行解答；
（3）根据反应条件可以影响反应的产物进行解答；
（4）根据质量守恒定律可知Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的最佳质量比；
（5）根据硫酸钠的溶解性以及固体物质的分离方法进行解答；
【实验分析】甲组：（1）根据氢氧化钠溶液用于吸收二氧化碳进行解答；
（2）根据一氧化碳还原四氧化三铁的作用进行解答；（3）根据一氧化碳从B装置中流出要带走水蒸气进行解答；
乙组：（1）根据反应进行程度判断；
（2）根据氧元素的含量进行判断．
点评：本题考查一氧化碳还原铁的氧化物的步骤、现象、化学反应式的书写，以及用不同的方法验证铁的存在，需要同学们具有比较全面的化学知识．