题目内容

5．铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来．一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为3CO+Fe2O3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO2．某化学兴趣小组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究．
【提出问题】单质碳也具有还原性，生成的产物与一氧化碳还原氧化铁相同．碳还原氧化铁的化学方程式为3C+2Fe2O3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4Fe+3CO2↑．
为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？
【猜想与假设】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全．
【进行实验】实验步骤及注意事项如下：
①称取两份相同质量的氧化铁粉末．一份与足量的碳粉均匀混合放入下图装置A的试管中；另一份放入下图装置B的玻璃管中．

②装置A和B两组实验同时进行．在装置B的反应中，实验开始前应先通CO（选填“通CO”或“加热”）；实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是防止高温下铁又被进入的空气氧化．
【实验现象】当装置B的玻璃管中固体完全由红色变为黑色（填“红色变黑色”或“黑色变红色”）时，装置A的试管中仍有红色物质．
【解释与结论】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因．
【交流与反思】经过查阅资料和讨论，该小组同学发现除了上述原因外，工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其他原因，试写出其中的一个：焦炭是固体，不容易和生成的铁分离．
【完善实验】联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生．经检验证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO2，因此装置A的不足之处是缺少尾气处理装置．

分析 熟记一氧化碳还原氧化铁的化学反应式；
【提出问题】熟记碳还原氧化铁的化学反应式；
【进行实验】②根据可燃性气体与空气混合加热时有爆炸的危险考虑；
【实验现象】根据氧化铁是红色，铁粉是黑色分析判断现象；
【交流与反思】根据实验完成后还要考虑分离出所要得到的物质考虑；
【完善实验】根据澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体考虑；

解答 解：一氧化碳与氧化铁在高温下反应生成铁和二氧化碳，反应的化学方程式为：3CO+Fe2O3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO2；
[提出问题]碳与氧化铁在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳，反应的化学方程式为：3C+2Fe2O3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4Fe+3CO2↑；
[进行实验]为防止一氧化碳与空气混合加热时，引起爆炸，在实验前要先通入CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化，实验结束后，应继续通入CO直至冷却至室温．
[实验现象]因氧化铁是红色，铁粉是黑色，B中的氧化铁被完全还原后，由红色变成黑色．此时由于A中的氧化铁还没有被完全还原，仍有红色物质；
[交流与反思]工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其它原因，如焦炭是固体，不容易和生成的铁分离；或焦炭中含有杂质，影响铁的纯度；或焦炭与氧气反应生成一氧化碳的同时放出大量的热，可提供一氧化碳还原铁矿石所需的高温，节约能源等；
[完善实验]为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO2，澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体，所以先用C检验二氧化碳的存在，为防止二氧化碳影响实验的结论，再用D中的氢氧化钠溶液吸收二氧化碳，再次连接C检查二氧化碳是否被完全吸收；然后将气体通过E，并再次连接C，如果氧化铜由黑色变成红色，C中的澄清石灰水变浑浊，说明有一氧化碳气体．因有一氧化碳存在，要进行尾气处理，而图中缺少此装置．
故答案为：3CO+Fe2O3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO2；
[提出问题]3C+2Fe2O3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4Fe+3CO2↑；
[进行实验]通CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化；
[实验现象]红色变为黑色；红色物质；
[交流与反思]焦炭是固体，不容易和生成的铁分离（或焦炭中含有杂质，影响铁的纯度；或焦炭与氧气反应生成一氧化碳的同时放出大量的热，可提供一氧化碳还原铁矿石所需的高温，节约能源）；
[完善实验]缺少尾气处理装置；

点评 本题以实验探究的形式考查化学反应式的书写、实验中的注意事项、以及不用碳还原氧化铁的原因，还有相关的拓展实验，可谓考查详尽，即考查了知识，又培养了学生的细心、耐心分析解决问题的能力．

练习册系列答案
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（3）欲从湖水中获取氯化钠晶体，应采用蒸发结晶（填“蒸发溶剂”或“冷却降温”）的方法．
（4）福岛核电站爆炸后散发出具有放射性的${\;}_{53}^{131}$Ⅰ（质子数为53，相对原子质量为131），在8.3天后会转变成${\;}_{53}^{127}$Ⅰ，不再具有放射性，所以对我国沿海盐业生产影响不大．${\;}_{53}^{131}$I和${\;}_{53}^{127}$I两者的关系是①．
①同种元素　　　　　　②同种物质　　　　　　③同种原子．

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