Question

某研究性小组在实验室中模拟炼铁化学原理的实验．
Ⅰ．定性探究

在一定温度下，该小组同学用一氧化碳还原纯净的氧化铁（实验装置如图1所示，从环保角度看，该小组设计的实验装置有不足之处，你认为该如何改进？

 

），观察到玻璃管内固体由红色全部变为黑色．小明同学认为该黑色固体全部是铁，但小华同学提出了质疑，于是大家分头查阅资料．
【查阅资料】
（1）一氧化碳还原氧化铁的固体产物的成分与反应温度、反应时间等因素有关．
（2）一氧化碳还原氧化铁的实验过程中固体产物可能有四氧化三铁、氧化亚铁、铁．
（3）

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

【实验与猜想】
（1）该小组同学将反应后的黑色固体研磨后，再用磁铁吸引，发现黑色固体全部能被吸引，则该黑色固体中不可能含有

 

．
（2）进行猜想：黑色固体可能
a．全部为铁        b．

 

       c．

 

Ⅱ．定量探究
取上述研磨后的黑色固体20g，设计如下实验（如图2所示）：

（1）小明同学的猜想是否成立？
（2）通过计算，确定20g黑色固体的成分及质量（请写出计算过程）．
【继续试验】
若要从以上探究所得FeSO₄、CuSO₄的混合溶液中回收铜和硫酸亚铁晶体，可设计如下实验方案（如图3所示）：

（1）步骤①中，金属X是

 

，该反应的化学方程式为

 

．
（2）步骤②中，加入过量稀硫酸的目的是

 

．

Answer 1

考点：铁的冶炼,金属的化学性质,酸的化学性质,书写化学方程式、文字表达式、电离方程式

专题：金属与金属材料

分析：Ⅰ定性探究：尾气中含有一氧化碳，有毒；
【实验与猜想】（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．
Ⅱ定量研究：（1）根据该黑色粉末与足量的硫酸铜溶液反应后的现象来分析解答．（2）根据化学方程式进行计算．
【继续试验】可以用过量的铁粉与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁，因此X是铁，过滤后得到铜和铁的混合物；然后再加入过量的稀硫酸把铁粉除去．

解答：解：Ⅰ定性探究：尾气中的一氧化碳有毒会污染空气，应该将尾气点燃处理；
【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亚铁；（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．
Ⅱ定量研究：（1）20g黑色固体粉末与足量的硫酸铜溶液充分反应后，得到硫酸亚铁溶液和铜，说明黑色粉末中含有铁，过滤得到的黑色固体是四氧化三铁，则金属混合物是铁和四氧化三铁的混合物；小明的猜想不成立；
（2）反应前后，固体质量增加了20.8g-20g=0.8g，设黑色固体中铁的质量为x
Fe+CuSO₄═Cu+FeSO₄   固体质量增加
56        64           64-56=8
x                       0.8g

56

8

=

x

0.8g

x=5.6g
四氧化三铁的质量：20g-5.6 g═14.4 g
【继续试验】可以用过量的铁粉与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁，因此X是铁；铁粉与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁；然后再加入过量的稀硫酸把铜粉和铁粉混合物中的铁粉除去，为了将混合物中的铁粉除尽，所以加入的稀硫酸必须是过量的．
故答案为：Ⅰ．定性探究：点燃尾气；
【实验与猜想】（1）氧化亚铁；（2）全部为四氧化三铁；铁与四氧化三铁的混合物；
Ⅱ．定量研究：（1）不成立
（2）解：反应前后，固体质量增加了20.8g-20g=0.8g，设黑色固体中铁的质量为x
Fe+CuSO₄═Cu+FeSO₄   固体质量增加
56        64           64-56=8
x                       0.8g

56

8

=

x

0.8g

x=5.6 g           
四氧化三铁的质量：20g-5.6 g═14.4 g
答：20g黑色粉末中含有5.6g铁粉和14.4g四氧化三铁．
【继续试验】（1）Fe；Fe+CuSO₄═FeSO₄+Cu；（2）除去过量的铁．

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，并会结合方程式分析即可顺利解答．关于金属的活动性顺序及其应用的探究，通过实验现象、对实验方法和过程的探究，在比较鉴别的基础上，得出了正确的实验结论．