题目内容

铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，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．某化学兴趣小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？
[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]实验步骤及注意事项如下：
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下图装置A的试管中；另一份放入下图装置B的玻璃管中．
②装置A和B两组实验同时开始进行．在装置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．

[实验现象]当装置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”），装置A的试管中仍有．
[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．
[交流与反思]经过查阅资料和讨论，该小组同学发现除了上述原因外，工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其它原因，试写出其中的一个：．
[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，将该气体通过下图的检验装置，正确的连接顺序是（选填字母，装置可重复使用）．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，因此装置A的不足之处是．

3CO+Fe₂O₃ $\text{[math]}$ 2Fe+3CO₂ 3C+2Fe₂O₃ $\text{[math]}$ 4Fe+3CO₂↑ 通CO 防止高温下铁又被进入的空气氧化红色变为黑色仍有红色物质焦炭是固体，不容易和生成的铁分离 C→D→C→E→C 缺少尾气处理装置
分析：熟记一氧化碳还原氧化铁的化学反应式；
【提出问题】熟记碳还原氧化铁的化学反应式；
【进行实验】②根据可燃性气体与空气混合加热时有爆炸的危险考虑；
【实验现象】根据氧化铁是红色，铁粉是黑色分析判断现象；
【交流与反思】根据实验完成后还要考虑分离出所要得到的物质考虑；
【完善实验】根据澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体考虑；
解答：一氧化碳与氧化铁在高温下反应生成铁和二氧化碳，反应的化学方程式为：3CO+Fe₂O₃ $\text{[math]}$ 2Fe+3CO₂；
[提出问题]碳与氧化铁在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳，反应的化学方程式为：3C+2Fe₂O₃ $\text{[math]}$ 4Fe+3CO₂↑；
[进行实验]为防止一氧化碳与空气混合加热时，引起爆炸，在实验前要先通入CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化，实验结束后，应继续通入CO直至冷却至室温．
[实验现象]因氧化铁是红色，铁粉是黑色，B中的氧化铁被完全还原后，由红色变成黑色．此时由于A中的氧化铁还没有被完全还原，仍有红色物质；
[交流与反思]工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其它原因，如焦炭是固体，不容易和生成的铁分离；或焦炭中含有杂质，影响铁的纯度；或焦炭与氧气反应生成一氧化碳的同时放出大量的热，可提供一氧化碳还原铁矿石所需的高温，节约能源等；
[完善实验]为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体，所以先用C检验二氧化碳的存在，为防止二氧化碳影响实验的结论，再用D中的氢氧化钠溶液吸收二氧化碳，再次连接C检查二氧化碳是否被完全吸收；然后将气体通过E，并再次连接C，如果氧化铜由黑色变成红色，C中的澄清石灰水变浑浊，说明有一氧化碳气体．因有一氧化碳存在，要进行尾气处理，而图中缺少此装置．
故答案为：3CO+Fe₂O₃ $\text{[math]}$ 2Fe+3CO₂；
[提出问题]3C+2Fe₂O₃ $\text{[math]}$ 4Fe+3CO₂↑；
[进行实验]通CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化；
[实验现象]红色变为黑色；仍有红色物质；
[交流与反思]焦炭是固体，不容易和生成的铁分离（或焦炭中含有杂质，影响铁的纯度；或焦炭与氧气反应生成一氧化碳的同时放出大量的热，可提供一氧化碳还原铁矿石所需的高温，节约能源）；
[完善实验]C→D→C→E→C；缺少尾气处理装置；
点评：本题以实验探究的形式考查化学反应式的书写、实验中的注意事项、以及不用碳还原氧化铁的原因，还有相关的拓展实验，可谓考查详尽，即考查了知识，又培养了学生的细心、耐心分析解决问题的能力．

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