Question

8．铁和四氧化三铁及其他含铁物质的性质、转换、用途是初中化学常见的知识内容．某兴趣小组同学在《培养中学生基本科学素养的化学实验教学研究》课题组老师的带领下开展了系列研究．
I：铁和四氧化三铁的转换：
i：铁在氧气里燃烧
【探究一】探究铁丝燃烧是否需要纯氧
【实验内容】取0.33mm的铁丝，分别在体积分数为90%、70%、65%、60%、55%的氧气中进行实验，实验现象：

O2%	90%	70%	65%	60%	55%
实验现象	燃烧剧烈，燃烧时间长，效果好	燃烧比90%弱，燃烧时间短，实验成功	燃烧比70%弱，燃烧时间比70%短，实验成功	燃烧比65%弱，燃烧时间更短，实验成功	难以燃烧，只是发红

【结论】就0.33mm铁丝而言，依据上表燃烧所需氧气的最低体积分数为60%，且氧气浓度越大，燃烧越剧烈．
【反思】所有铁丝的燃烧所需氧气最低浓度为上述结论不（填“是”或“不”）合理，理由是没有考虑铁丝的粗细．
ii：铁和四氧化三铁在转换时的应用：
在焊接两根铁轨时，为确保施工质量，工程技术人员常用到一种叫做“引火铁”的反应活性材料，“引火铁”（极细的铁粉）是一种准纳米材料，它在空气中可以自燃．某化学兴趣小组根据上述原理设计在实验室制备其过程如下：

（1）在高温条件下用普通铁粉和水蒸气反应，得到粉末状的四氧化三铁和氢气．
（2）将四氧化三铁粉末再在高温条件下经过与上述过程相反的反应生成“引火铁”粉末．请分别用以下两套装置，制取四氧化三铁和“引火铁”．（注：装置中必要的铁架台、铁夹、铁圈、石棉网、加热设备等在图1中均已略去）
填写下列空白：
（1）写出实验过程中第（1）、（2）两个步骤中的任一反应方程式：3Fe+4H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂，Fe₃O₄+4H2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+4H₂O；
（2）在实验装置中，烧瓶B的作用是产生水蒸气；
（3）实验时试管A中加入的固体是普通铁粉；
（4）在试管H中反应进行H₂还原Fe₃O₄前，在I出口处必须先检验氢气的纯度．
II：在实验室中模拟炼铁化学原理的实验，对固体产物成分等进行探究
【设计实验】用一氧化碳还原纯净的氧化铁粉末，实验装置如图2．

【进行实验】该小组按上述实验设计，在一定温度下进行了实验，测得下列数据：
①反应前玻璃管和内盛氧化铁粉末的总质量66g（玻璃管的质量为60g）
②反应后玻璃管和内盛黑色固体的总质量65.8g（冷却到室温称量）
【得出结论】通过实验中获得的数据进行计算，得出黑色固体粉末为Fe₃O₄．
【反思与评价】一氧化碳还原氧化铁的实验中，可能会生成四氧化三铁、氧化亚铁等，那么要提高含铁量可采用的方法是延长通入CO的时间、提高反应温度、延长反应时间（答出一个即可）．

Answer 1

分析 I：i．【结论】根据表格数据分析；
【反思】根据影响可燃物燃烧的因素有氧气的浓度、接触面积等分析；
ii：（1）根据题目信息找出反应物和生成物写出反应的方程式；
（2）根据反应需要水蒸气分析烧瓶的作用；
（3）根据反应需要铁粉分析药品；
（4）根据氢气容易发生爆炸分析使用的注意事项；
II：【得出结论】依据实验测得的数据结合氧化铁的化学式可求出氧化铁中氧的质量，再用反应前后物质的质量差与之比较判断即可；
【反思与评价】根据信息资料分析应该采用的方法．

解答 解：I：i．【结论】根据表格数据可知铁丝在体积分数为55%的氧气中难以燃烧，只是发红；铁丝在体积分数为60%的氧气中燃烧比65%弱，燃烧时间更短，实验成功．但没有实验55%-60%之间的反应会怎样，因此就0.33mm铁丝而言，依据上表燃烧所需氧气的最低体积分数为60%；故填：60%；
【反思】若铁丝的粗细不同，燃烧需要氧气的浓度可能不同，故答案为：不合理，没有考虑铁丝的粗细；
ii：（1）第（1）个步骤的反应是在高温条件下用普通铁粉和水蒸气反应，得到粉末状的四氧化三铁和氢气，反应的方程式为：3Fe+4H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂↑；
第（2）个步骤是将四氧化三铁粉末再在高温条件下经过与上述过程相反的反应生成“引火铁”粉末．，因此是四氧化三铁和氢气反应产生铁和水蒸气，反应的方程式为：Fe₃O₄+4H2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+4H₂O；故答案为：3Fe+4H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂↑（或Fe₃O₄+4H2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+4H₂O ）；
（2）第（1）个步骤的反应是在高温条件下用普通铁粉和水蒸气反应，在实验装置中，烧瓶B的作用是产生水蒸气；故答案为：产生水蒸气；
（3）第（1）个步骤的反应是在高温条件下用普通铁粉和水蒸气反应，因此试管A中装的是铁粉；故答案为：普通铁粉；
（4）因为氢气加热时容易发生爆炸，因此在加热前一定要检验氢气的纯度；故答案为：检验氢气的纯度；
II：【得出结论】依据实验测得的数据可知氧化铁的质量是：66g-60g=6g，这些氧化铁中含有的氧元素质量是：6g×$\frac{3×16}{3×56+4×16}$×100%=1.8g，由于反应前后固体的质量差即为氧化铁失掉的氧的质量，所以可知反应前后失掉的氧的质量是：66g-65.8g=0.2g，所以该固体不可能全是铁，固体中还有1.6g氧元素没有失掉，假设全是四氧化三铁则其含有的氧元素质量是：5.8g×$\frac{4×16}{3×56+4×16}$×100%=1.6g，故全部是四氧化三铁，所以该固体粉末是四氧化三铁；
故答案为：Fe₃O₄；
【反思与评价】根据资料可知一氧化碳还原氧化铁的实验中，若要得到铁可适当延长通入CO的时间、提高反应温度、延长反应时间等；故答案为：延长通入CO的时间、提高反应温度、延长反应时间（答出一个即可）．

点评 本题综合性较强，较全面的考查了有关铁的转化，解答时要充分利用题目信息进行分析写出方程式，在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进行解答，能够考查学生的分析问题能力，难度较大．