Question

5．铁制品锈蚀的过程，实际上是铁与空气中的氧气、水蒸气等发生反应的过程，锈的主要成分是Fe₂O₃?xH₂O．某化学兴趣小组在实验室中用足量一氧化碳还原铁锈，装置如下图，酒精灯b的作用是点燃多余的一氧化碳，防止污染空气．

【实验操作】该实验开始时，要先通一氧化碳，目的是排净装置中的空气，防止爆炸．
【现象分析】实验过程中，观察到玻璃管中固体红色粉末逐渐变黑，澄清石灰水变浑浊，证明一氧化碳还原了铁锈，写出化学方程式3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
【提出问题】一氧化碳还原铁锈的固体产物是铁吗？
【实验设计】上述反应进行完全后，冷却到室温，取少量管中的固体，加入稀盐酸，若观察到有气泡产生，则证明有铁生成．该小组同学按上述设计进行实验，并未观察到预期现象．
【查阅资料】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，可能生成四氧化三铁、氧化亚铁、铁．
【实验反思】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．上图所示实验装置中，应作的一处修改是将酒精灯a换成酒精喷灯．
【重新实验】该小组同学用修改后的装置重新进行实验，完全反应后，冷却到室温，取少量玻璃管中的固体，加入硫酸铜溶液，观察到有红色固体析出，证明有铁生成．
【拓展应用】该小组同学用修改后的装置进行赤铁矿的实验，使赤铁矿中的氧化铁全部转变为铁（已知赤铁矿中的杂质不与反应），测得下列数据：
①反应前玻璃管和内盛赤铁矿粉末的总质量70.0g（玻璃管的质量为60.0g）；
②反应后玻璃管和内盛固体的总质量67.6g（冷却到室温称量）．则该赤铁矿中氧化铁的质量分数为80%．

Answer 1

分析 根据已有的铁生锈的知识进行分析解答，铁在与水和氧气并存时易生锈．根据一氧化碳有毒，直接排放会污染空气来分析解答；
【实验操作】根据一氧化碳的可燃性分析；
【现象分析】根据一氧化碳还原氧化铁的现象来分析；
【实验设计】根据金属的性质来分析；
【实验反思】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，从而考虑装置的改进；
【重新实验】根据金属的化学性质来分析；
【拓展应用】根据减少的质量为氧化铁中氧元素的质量以及化学方程式来分析．

解答 解：铁在与水和氧气并存时易生锈，故填：氧气、水蒸气（或O₂、H₂O）
如果通入的CO过量，有毒的一氧化碳就会沿导管排入大气中，所以尾气要处理后排入大气．用酒精灯将其点燃，是为了防止造成空气的污染，故填：点燃多余的一氧化碳，防止污染空气；
【实验操作】一氧化碳具有可燃性，如果不纯可能发生爆炸，实验开始时，要先通一氧化碳，排净装置中的空气，防止爆炸．故填：排净装置中的空气，防止爆炸；
【现象分析】氧化铁在一氧化碳的还原作用下，由红色氧化铁粉末逐渐变成黑色铁粉末；除生成铁以外，还生成二氧化碳气体，二氧化碳与澄清石灰水反应，使澄清石灰水变浑浊，一氧化碳与氧化铁在高温的条件下，生成铁和二氧化碳，配平即可．化学方程式为：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．故填：红色粉末逐渐变黑；3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
【实验设计】铁能与酸反应生成氢气，所以若有铁存在，会看到有气泡产生，故填：有气泡产生；
【实验反思】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．上图所示实验装置中，应作的一处修改是将酒精灯a换成酒精喷灯．
故填：将酒精灯a换成酒精喷灯（或给酒精灯a加网罩）；
【重新实验】除上述方案，还可以采取另一种实验方案，所用的试剂是硫酸铜溶液，铁与硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁；所以，可通过观察是否有红色固体生成，判断黑色固体中是否含金属铁；故填：有红色固体析出；
【拓展应用】玻璃管中固体减少的质量即为氧化铁中铁元素的质量：70.0g-67.6g=2.4g；
设氧化铁的质量为x，则
3CO+Fe₂O₃ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂?固体质量减少
    160                    112         160-112=48
     x                                               2.4g
$\frac{160}{x}=\frac{48}{2.4g}$
x=8.0g
该赤铁矿中氧化铁的质量分数为$\frac{8.0g}{70.0g-60.0g}×100%$=80%
故填：80%．

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．