Question

3．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
FexOy+yH₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$xFe+yH₂O　　　　　 Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+CH₄
（1）写出焙烧中氧化铁与CO反应的化学方程式Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
（2）焙烧中加焦炭的作用除了可以生成CO外，还能提供热量．
【含量测定】为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数，按如下装置进行实验．
已知3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe（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）．

（3）主要实验步骤如下：
①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，称量样品和必要装置的质量；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再次称量必要装置的质量．
操作的先后顺序是①→③→④→②→⑤→⑥→⑦（填序号）
（4）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；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．
（5）若装置D、E分别增重m g和n g，则m与n的关系为B（填字母）；
A．11m=9n       B．11m＜9n         C．11m＞9n
若缺少装置D，则所测氧元素的质量分数将不变（“偏大”、“偏小”或“不变”，下同），碳元素的质量分数将偏大．
（6）粗还原铁粉样品的质量为10.000g，装置B、E分别增重0.180g和0.220g，计算样品中氧和碳元素的质量分数（要求计算过程）．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）焦炭燃烧放出大量的热，该热量可维持其它反应的发生；
（3）装置A在加热时发生反应，生成的水与甲烷通过装置B处理后进入装置C，进入该装置的气体在加热条件下发生反应；
（4）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；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； 
（5）若装置D、E分别增重mg和ng，当只有甲烷参与反应时可以求出二氧化碳和水的质量比为9：11，可求m与n的关系；
若缺少装置D，氧元素的测定时取决于B装置的吸收，所以是不会影响的（后面与氧化铁的反应物是甲烷气体反应造成的，所以二氧化碳中的氧元素不会影响到）．碳元素的质量分数是通过吸收二氧化碳，也可以说通过E装置的质量增加来实现，当D不存在时，导致部分水被E吸收，而被误当成二氧化碳进行计算，导致碳元素质量增加，进而使含碳量偏大．
（6）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）氧化铁在高温条件下能与CO发生反应生成铁与二氧化碳，反应的化学方程式为Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；故填：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
（2）焦炭燃烧放出大量的热，产生的热量使装置内其它反应得以发生；故填：提供热量；
（3）根据题目中的假设情况，为使装置A反应产生的甲烷气体全部在装置C中发生反应，操作时应先将C处酒精灯点燃，然后再点燃A处酒精处；故选④②；故填：④；②；
（4）步骤③的目的是除去装置内的氧气，防止发生爆炸，验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气靠近燃着的酒精灯，听声音；有剩余则没有完全被除掉；步骤⑥的目的是防止生成的还原铁粉再次被氧化，起保护作用；故填：除去装置内的氧气，防止发生爆炸；收集尾气靠近燃着的酒精灯，听声音；防止生成的还原铁粉再次被氧化，起保护作用；  
（5）若装置D、E分别增重mg和ng，当只有甲烷参与反应时可以求出二氧化碳和水的质量比为9：11，可求m与n的关系．
3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8Fe+3CO₂+6H₂O
                3×44  6×18
                 n      m
则列式为$\frac{3×44}{6×18}=\frac{n}{m}$，
则$\frac{n}{m}=\frac{11}{9}$，由于是加热C在前，所以导致会先生成水，导致水的质量多，所以是9n＜11m，所以选B．故选B；
若缺少装置D，氧元素的测定时取决于B装置的吸收，所以是不会影响的（后面与氧化铁的反应物是甲烷气体反应造成的，所以二氧化碳中的氧元素不会影响到）．碳元素的质量分数是通过吸收二氧化碳，也可以说通过E装置的质量增加来实现，当D不存在时，导致部分水被E吸收，而被误当成二氧化碳进行计算，导致碳元素质量增加，进而使含碳量偏大．故填：不变；偏大；
（6）装置B增重0.180g，则粗还原铁粉与氢气反应生成水的质量为0.180g，生成水中氧元素质量=0.180g×$\frac{16}{18}$×100%=0.160g；样品中氧元素的质量分数=$\frac{0.160g}{10.000g}$×100%=1.6%
装置E增重0.220g，则甲烷与氧化铁反应生成二氧化碳的质量为0.220g，生成二氧化碳中碳元素质量=0.220g×$\frac{12}{44}$×100%=0.060g；样品中碳元素的质量分数$\frac{0.060g}{10.000g}$×100%=0.6%
答：样品中氧和碳元素的质量分数分别为1.6%、0.6%．
故答案为：1.6%；0.6%．

点评 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．