Question

14．钢铁工业是国家工业的基础．
I．如图1是教材中炼铁高炉及炉内化学变化过程示意图，根据图示回答下列问题．

若图中采用的铁矿石的主要成分为氧化铁，请写出A区发生主要反应的化学方程式：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
Ⅱ．如图2所示，化学兴趣小组同学在实验室里利用碳和氧化铁反应模拟炼铁，得到了无色气体A和黑色粉末B，并探究两者的成分．
（一）甲组同学对无色气体A的成分进行探究．
【猜想与假设】
猜想1：A中只有CO₂；  猜想2：A中只有CO；  猜想3：A中有CO₂和CO．
【实验验证】
甲组同学按如图3所示进行实验（箭头表示气体流向，NaOH溶液的作用是除去气体中的CO₂）．

【讨论交流】
实验证实猜想3正确，则：
（1）Ⅰ中澄清石灰水的作用是检验CO₂，能证明猜想3成立的现象是Ⅰ中澄清石灰水变浑浊，Ⅲ中黑色固体变为红色（或I、Ⅳ中澄清石灰水均变浑浊）．
（2）Ⅲ中反应的化学方程式CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂．
（二）乙组同学对黑色粉末B的成分进行探究．
【查阅资料】
①碳（或一氧化碳）还原氧化铁的固体产物可能有四氧化三铁、氧化亚铁、铁．
②碳（或一氧化碳）还原氧化铁的产物成分与反应温度、反应时间等因素有关．
③

物质 性质	四氧化三铁	氧化亚铁	氧化铁	铁粉
颜色	黑色	黑色	红色	黑色
能否被磁铁吸引	能	不能	不能	能

【初步实验与猜想】
①小组同学将反应后的黑色固体研磨后，再用磁铁吸引，发现黑色固体粉末全部能被吸引，则该黑色固体粉末中不可能含有氧化铁和氧化亚铁（或FeO）．
②进行猜想：黑色固体粉末可能是：
猜想一：全部是Fe；猜想二：全部是Fe₃O₄；猜想三：是Fe和Fe₃O₄的混合物．
【进一步实验】该小组按如图4装置设计实验，在一定温度下进行了实验，测得下列数据：
①应前称取5.8g黑色粉末B加入玻璃管内 （玻璃管的质量为60.0g）
②充分反应后管内固体全部是铁，玻璃管和管内固体的总质量64.2g（已冷却到室温）．
【得出结论】根据上述数据，经计算得出该黑色粉末B是Fe₃O₄．
【反思与评价】碳（或一氧化碳）还原氧化铁的实验中，若要得到铁可适当提高反应温度和延长反应时间．

Answer 1

分析 Ⅰ、根据A区主要生成铁分析发生的反应，写出反应的方程式；
Ⅱ、（一）（1）根据检验二氧化碳的方法来分析；根据一氧化碳的性质来分析；
（2）在加热的条件下，一氧化碳与氧化铜反应生成铜和二氧化碳；
（二）①根据题意黑色固体粉末全部能被吸引分析不可能含有的物质；
②根据铁和四氧化三铁都是黑色、都能被磁铁吸引，对黑色粉末进行猜想．
根据黑色固体的质量，可求出铁的质量和含有的氧元素的质量，再根据减少的质量分析黑色固体粉末的成分．

解答 解：Ⅰ．由炼铁的原理可知，在A区发生的反应主要是：在高温条件下，一氧化碳将氧化铁还原为铁同时生成了二氧化碳，反应的方程式是：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；故填：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
Ⅱ．（一）（1）二氧化碳能使澄清的石灰水变浑浊，所以Ⅰ中澄清石灰水是用来检验气体中是否含有二氧化碳，故填：检验CO₂；
若气体A是一氧化碳与二氧化碳的混合物，则会观察到Ⅰ中澄清石灰水变浑浊，在加热的条件下，一氧化碳能将黑色的氧化铜还原为红色的铜，同时生成二氧化碳，观察到Ⅳ中澄清石灰水变浑浊，故填：Ⅰ中澄清石灰水变浑浊，Ⅲ中黑色固体变为红色（或I、Ⅳ中澄清石灰水均变浑浊）；
（2）在加热的条件下，一氧化碳与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，化学方程式为：CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂，故填：CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂；
（二）【初步实验与猜想】①由题意可知，黑色固体粉末全部能被吸引，则该黑色固体粉末中不可能含有氧化铁和氧化亚铁．故填：氧化亚铁（或FeO）；
②由题意可知，黑色固体粉末全部能被吸引，黑色固体粉末可能是全部为铁或全部为四氧化三铁或四氧化三铁与铁粉的混合物．故填：Fe和Fe₃O₄的混合物；
【得出结论】根据题干信息可知，加热反应后，固体减少的质量为氧元素的质量，即60.0g+5.8g-64.2g=1.6g，铁的质量为：64.2g-60.0g=4.2g，则黑色固体中铁元素与氧元素的质量比为：$\frac{4.2g}{1.6g}$=$\frac{21}{8}$；Fe₃O₄中铁元素与氧元素的质量比为：$\frac{56×3}{16×4}$=$\frac{21}{8}$，若该黑色固体中含有铁的单质，则该黑色固体中铁元素与氧元素的质量比就会大于$\frac{21}{8}$，所以该黑色固体是四氧化三铁．故填：Fe₃O₄．

点评 本题综合性较强，较全面的考查了一氧化碳还原氧化铁，尤其是利用数据对混合物的判断增加了试题难度，掌握反应前后元素的质量不变，并会结合化学式分析即可顺利解答．