Question

2．某化学兴趣小组设计了图示实验装置（图中省略了夹持仪器）来测定某铁碳合金中铁的质量分数．

（1）m g铁碳合金中加入过量浓硫酸，未点燃酒精灯前，A、B均无明显现象，其原因是常温下碳与浓硫酸不反应、常温下Fe遇浓硫酸发生钝化．
（2）A中铁与浓硫酸在加热时反应的化学方程式为2Fe+6H₂SO₄ （浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₂（SO₄）₃+3SO₂↑+6H₂O．
（3）待A中不再逸出气体时，停止加热，拆下装置E并称重，装置E增重n g．则铁碳合金中铁的质量分数为$\frac{11m-3n}{11m}$×100%（用含m、n的表达式表示）．
（4）甲同学认为利用此装置测得铁的质量分数可能偏小，请写出其可能原因：装置E可吸收空气中的CO₂和水蒸气，导致E质量增重偏大．乙同学认为利用此装置测得铁的质量分数可能偏大，请写出其可能原因：装置内残留CO₂未被E吸收，导致E质量增重偏小．

Answer 1

分析 由装置图可知，该实验原理：通过测定干燥管E的质量增重确定二氧化碳的质量，根据二氧化碳的质量计算铁碳合金中碳的质量，进而计算铁的质量，再计算合金中铁的质量分数．故二氧化硫会影响二氧化碳的测定，进入干燥管E的气体应除去二氧化硫、且干燥．
（1）常温下碳与浓硫酸不反应，铁在浓硫酸中发生钝化现象；
（2）铁与浓硫酸在加热的条件下生成二氧化硫、硫酸铁、水；
（3）E增重ng为二氧化碳的质量，根据碳元素守恒计算合金中碳元素的质量，合金的质量减去碳元素质量等于铁的质量，再根据质量分数定义计算；
（4）装置E可吸收空气中的CO₂和水蒸气，导致E质量增重；装置内残留部分二氧化碳，未能被装置E完全吸收，导致测量的二氧化碳的质量偏小，即合金中碳元素的质量偏小．

解答 解：由装置图可知，该实验原理：通过测定干燥管E的质量增重确定二氧化碳的质量，根据二氧化碳的质量计算铁碳合金中碳的质量，进而计算铁的质量，再计算合金中铁的质量分数．故二氧化硫会影响二氧化碳的测定，进入干燥管E的气体应除去二氧化硫、且干燥．
（1）常温下，铁与浓硫酸反应生成一层致密的氧化物保护膜，阻止内金属继续与浓硫酸反应，发生钝化现象，
故答案为：常温下碳与浓硫酸不反应，常温下Fe遇浓硫酸发生钝化；
（2）铁与浓硫酸在加热的条件下生成二氧化硫、硫酸铁、水，反应方程式为2Fe+6H₂SO₄ （浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₂（SO₄）₃+3SO₂↑+6H₂O，
故答案为：2Fe+6H₂SO₄ （浓）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₂（SO₄）₃+3SO₂↑+6H₂O；
（3）E增重n g为二氧化碳的质量，根据碳元素守恒可知合金中碳元素的质量为 $\frac{12}{44}$ng，合金中铁的质量为mg-$\frac{12}{44}$ng=（m-$\frac{3}{11}$n）g，故铁的质量分数 $\frac{m-\frac{3}{11}n}{m}$×100%=$\frac{11m-3n}{11m}$×100%，
故答案为：$\frac{11m-3n}{11m}$×100%；
（4）甲同学认为利用此装置测得铁的质量分数可能偏小，装置E可吸收空气中的CO₂和水蒸气，导致E质量增重偏大；
乙同学认为利用此装置测得铁的质量分数可能偏大，装置内残留部分二氧化碳，未能被装置E完全吸收，导致测量的二氧化碳的质量偏小，即合金中碳元素的质量偏小，铁元素的质量增大，质量分数增大，
故答案为：装置E可吸收空气中的CO₂和水蒸气，导致E质量增重偏大；装置内残留CO₂未被E吸收，导致E质量增重偏小．

点评 本题考查学生对实验原理的理解、对实验方案与实验装置的评价、元素化合物性质、化学计算等，难度中等，清楚实验原理是解题的关键，需要学生具备扎实的基础知识与综合运用知识分析问题、解决问题的能力，题目难度中等．