Question

8．精还原铁粉是一种重要的化工原料，某兴趣小组对其进行下列研究：
【物质制备】利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下：

粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe₃C杂质，可用氢气在高温下进一步还原，其反应方程式为：
FexOy+yH₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+yH₂O
Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+CH₄
（1）焙烧中加焦炭的作用：①制取CO；②提供热量．
（2）写出焙烧中氧化铁与CO反应的化学方程式：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
【含量测定】为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中铁的氧化物组成及Fe₃C的质量分数，取粗还原铁粉16g，并将其分为2等分，一份与足量的稀盐酸反应，得到氢气0.2g，另一份按如下装置进行实验．（假设每步反应都完全且不考虑装置内原有空气对测定结果的影响）．
【资料卡】①3CH₄+4Fe₂O₃ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe
②铁的氧化物及Fe₃C均不能与稀盐酸反应产生H₂
③浓硫酸的作用吸水，碱石灰吸水和二氧化碳

（3）写出装置中所指定仪器的名称：①硬质粗玻璃管；②铁架台．
（4）写出铁与稀盐酸反应的化学方程式：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑．
（5）主要实验步骤如下：
①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，精确称量样品和B、D、E装置的质量；②点燃A处酒精灯；③缓缓通入纯净干燥的H₂；④点燃C处酒精灯；⑤分别熄灭A、C处酒精灯；⑥再缓缓通入少量H₂；⑦再次精确称量样品及B、D、E装置的质量．
正确操作的先后顺序是①→③→④→②→⑤→⑥→⑦（填序号），否则，测定的Fe₃C质量分数偏小（填“偏大”、“偏小”或“不变”）．步骤③的目的是将装置中的空气排尽，防止点燃时发生爆炸，验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气验纯；步骤⑥的目的是防止生成的精还原铁粉在高温下又被氧化．
（6）经精确称量，实验样品及B、D、E装置反应前后质量的变化如表：

	样品	B	D	E
反应前	8g	350g	350g	220g
反应后	7.553g	350.435g	351.98g	220.22g

计算样品中Fe₃C质量分数，应选用上表中的E组数据（填“D”或“E”），其理由是H₂与Fe₂O₃反应也生成H₂O，则Fe₃C质量分数为11.25%（精确到0.01%）．
（7）样品中铁的氧化物中，铁、氧元素的质量比是多少？（精确到0.01）（写出计算过程）

Answer 1

分析 （1）根据焦炭的性质来分析；
（2）CO具有还原性，能与氧化铁反应而使氧化铁还原成铁，同时放出二氧化碳；
（3）熟记常见仪器的名称；
（4）根据化学反应的原理来分析；
（5）根据实验步骤以及实验中的注意事项来分析解答；
（6）根据装置质量增重的原因来分析；
（7）装置B中浓硫酸吸收氢气与粗还原铁粉反应生成的水，由该装置增重为反应生成水的质量可求得粗还原铁粉中氧元素质量；装置E中碱石灰吸收甲烷与氧化铁反应产生的二氧化碳，由该装置增重为反应生成二氧化碳的质量可计算出粗还原铁粉中所含碳元素质量．

解答 解：（1）焦炭燃烧放出大量的热，产生的热量使装置内其它反应得以发生，还提供了还原剂一氧化碳；故填：①制取CO；②提供热量；
（2）氧化铁在高温条件下能与CO发生反应生成铁与二氧化碳，故填：Fe₂O₃+3CO $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
（3）①是硬质玻璃管，②是铁架台；故填：①硬质粗玻璃管；②铁架台；
（4）铁与稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，故填：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑；
（5）根据题目中的假设情况，为使装置A反应产生的甲烷气体全部在装置C中发生反应，操作时应先将C处酒精灯点燃，然后再点燃A处酒精处；否则会造成测定结果偏小；
步骤③的目的是除去装置内的氧气，防止发生爆炸，验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气靠近燃着的酒精灯，听声音；有剩余则没有完全被除掉；步骤⑥的目的是防止生成的还原铁粉再次被氧化，起保护作用；
故填：④→②；偏小；将装置中的空气排尽，防止点燃时发生爆炸；收集尾气验纯；防止生成的精还原铁粉在高温下又被氧化．
（6）D装置中的浓硫酸能吸收生成的水蒸气，但是氢气还原氧化铁也会生成水蒸气，而装置E增重是因为吸收了反应生成的二氧化碳，也只有此反应生成二氧化碳，所以选择装置E的数据来计算．设生成（220.22g-220g）二氧化碳需要Fe₃C的质量为x，由质量守恒定律可知，Fe₃C中碳元素的质量与二氧化碳中碳元素的质量相等，则
x×$\frac{12}{56×3+12}×100%$=（220.22g-220g）×$\frac{12}{44}×100%$
x=0.9g
则Fe₃C质量分数为$\frac{0.9g}{8g}×100%$=11.25%
故填：E；H₂与Fe₂O₃反应也生成H₂O；11.25%；
（7）装置B增重0.435g，则粗还原铁粉与氢气反应生成水的质量为0.435g，生成水中氧元素质量=0.435g×$\frac{16}{18}×100%$≈0.39g
装置E增重0.22g，则甲烷与氧化铁反应生成二氧化碳的质量为0.22g，生成二氧化碳中碳元素质量=0.22g×$\frac{12}{44}$×100%=0.06g
设生成0.2g氢气需要铁的质量为y
Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑
56            2
y            0.2g
$\frac{56}{2}=\frac{y}{0.2g}$
y=5.6g
8g还原铁粉中含铁5.6g，Fe₃C的质量为0.9g，氧元素0.39g，则铁的氧化物中铁元素的质量为：8g-0.9g-0.39g=1.11g
则样品中铁的氧化物中，铁、氧元素的质量比是1.11g：0.39g=111：39．
故填：111：39．

点评 本题考查了常规性的冶炼铁的原理及实验的注意事项等，并在此基础上通过对铁冶炼原理的知识迁移，理解该题的实验过程及目的，考查了知识的运用及实验分析的能力．