Question

7．钢铁是使用最多的金属材料．在今年的化学活动周中，某校兴趣小组的同学在老师指导下做了三个有关铁的实验．
实验一：用干燥纯净的一氧化碳还原氧化铁 （实验装置如图1）：

其中A是实验室用草酸（H₂C₂O₄）和浓硫酸加热制取一氧化碳的气体发生装置，反应的化学方程式是：H₂C₂O₄$\frac{\underline{\;浓硫酸\;}}{加热}$H₂O+CO₂↑+CO↑．请回答下列问题：
（1）B装置中发生反应的化学方程式是2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O．
（2）C装置无明显现象，C装置的作用是证明二氧化碳已被完全吸收．D装置中浓硫酸的作用是干燥一氧化碳气体．
（3）E装置中的实验现象是红色粉末变成黑色．
（4）F装置的作用是证明反应生成了二氧化碳、尾气处理．
实验二：铝粉和氧化铁粉末反应（铝热反应）（实验装置如图2）：
图中纸漏斗由两张滤纸折叠成漏斗状套在一起，使四周都有四层，点燃镁条后观察到的现象：镁条剧烈燃烧，发出耀眼的白光，放出大量的热，纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入细沙中．实验后老师作了如下提示：实验中镁条和氯酸钾的作用是提供反应所需的高温条件，铝粉和氧化铁粉末在高温条件下的反应叫铝热反应，属于置换反应，该反应常用于焊接钢轨．请写出该反应的化学方程式2Al+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+Al₂O₃．该反应中单质铝与一氧化碳有相似的还原（填“氧化”或“还原”）性．
实验后同学们对金属与金属氧化物间的反应产生兴趣，激发了探究热情．
【提出问题】任何金属与金属氧化物在高温条件下都能反应吗？
同学们在请教老师后设计了如下实验方案并进行了探究．
【实验方案】

实验组别	实验操作	实验现象	结论
实验1	取Zn、CuO粉末的均匀混合物于密闭容器中，高温加热． 向冷却后的固体中加入足量的稀盐酸．	黑色粉末变成红色 固体部分溶解，有气泡产生，水溶液呈无色．	Zn和CuO能发生置换反应．
实验2	取Mg、CuO粉末的均匀混合物于密闭容器中，高温加热． 向冷却后的固体中加入足量的稀盐酸．	发生爆炸，黑色粉末变成红色． 固体部分溶解，有气泡产生，水溶液呈无色．	镁与氧化铜发生了置换反应
实验3	取Cu、Fe2O3粉末的均匀混合物于密闭容器中，高温加热．	粉末无变化	Cu、Fe2O3不能反应．

【实验总结】金属与金属氧化物在高温条件下有些能反应，有些不能反应．
实验三：甲、乙、丙三位同学，分别用上述实验一所得的铁样品与稀硫酸反应，其中只有一位同学所取用
的稀硫酸与铁样品恰好完全反应，实验数据如下表：

	甲	乙	丙
烧杯+稀硫酸	200g	150g	150g
加入的铁样品	9g	9g	14g
烧杯+剩余物质质量	208.7g	158.7g	163.7g

请你认真分析数据，回答下列问题：（烧杯的质量为28.1g，计算结果保留一位小数）
（1）乙同学所取用的稀硫酸与铁样品恰好完全反应？
（2）计算样品中铁的质量分数？
（3）计算恰好完全反应后所得溶液中溶质的质量分数？

Answer 1

分析 实验一：
（1）氢氧化钠溶液吸收二氧化碳生成二氧化碳与水；
（2）澄清石灰水遇二氧化碳变浑浊，可用来检验二氧化碳的存在；浓硫酸具有很好的吸水性；
（3）根据一氧化碳还原氧化铁的生成物考虑；
（4）澄清石灰水遇二氧化碳变浑浊，可用来检验二氧化碳的存在；
实验二：
实验装置如下图：根据铝粉和氧化铁粉末在高温条件下的反应叫铝热反应，属于置换反应，写出化学反应式；一氧化碳具有还原性；
实验方案：实验1：根据结论：Zn和CuO能发生置换反应．填写实验现象；
实验三：
（1）甲、乙比较说明9g铁样品完全反应能产生0.3g氢气；乙、丙比较说明150g稀硫酸完全反应生成0.3g氢气，因此可以判断乙同学所取用的稀硫酸与铁样品恰好完全反应；
（2）由氢气的质量根据铁与硫酸反应的化学方程式可以计算出样品中铁的质量，进而计算出铁的质量分数；
（3）由氢气的质量根据铁与硫酸反应的化学方程式可以计算出反应后生成的硫酸亚铁的质量，进而计算出恰好完全反应后所得溶液中溶质的质量分数．

解答 解：实验一
（1）根据化学方程式：H₂C₂O₄$\frac{\underline{\;浓H_{2}SO_{4}\;}}{△}$H₂O+CO₂↑+CO↑可知，有CO₂生成，B装置中的氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳气体，化学反应式是：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O．
故答案为：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O；
（2）C装置中的澄清石灰水遇二氧化碳变浑浊，而C装置中无明显现象，说明二氧化碳已被氢氧化钠溶液完全吸收；D装置中浓硫酸的作用是吸收制取CO过程中产生的水，得到干燥的CO；
故答案为：证明二氧化碳已被完全吸收；干燥一氧化碳气体；
（3）E装置中的氧化铁在CO的还原作用下，由红色的氧化铁粉末变成黑色的铁粉．
故答案为：红色粉末变成黑色；
（4）F装置中的澄清石灰水遇二氧化碳变浑浊，可以用来证明二氧化碳的存在；点燃尾气，是因为过量的有毒一氧化碳会污染空气，所以要进行尾气处理．
故答案为：证明反应生成了二氧化碳、尾气处理；
实验二
实验装置如下图：铝粉和氧化铁粉末在高温条件下的反应叫铝热反应，属于置换反应，我们可以据此写出化学反应式：2Al+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+Al₂O₃，一氧化碳具有还原性，是在化学反应中得到氧的物质，在该反应中铝也是得到氧的物质，所以具有还原性．
故答案为：2Al+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+Al₂O₃、还原；
实验方案：
实验1：根据结论：Zn和CuO能发生置换反应，说明置换出铜单质．故实验现象是：黑色粉末变成红色．
故答案为：红；
实验2：根据现象：发生爆炸，黑色粉末变成红色，说明氧化铜变成了铜单质，镁与氧化铜发生了置换反应．
故答案为：无、镁与氧化铜发生了置换反应；
实验三
解：（1）甲、乙比较说明9g铁样品完全反应能产生0.3g氢气；乙、丙比较说明150g稀硫酸完全反应生成0.3g氢气，因此可以判断乙同学所取用的稀硫酸与铁样品恰好完全反应；
（2）生成氢气的质量为：150g+9g-158.7g=0.3g
设Fe的质量为x，FeSO₄的质量为y
Fe+H₂SO₄═FeSO₄+H₂↑
56        152    2
x          y    0.3g
$\frac{56}{x}$=$\frac{2}{0.3g}$   $\frac{152}{y}$=$\frac{2}{0.3g}$
解得：x═8.4g，y=22.8g
（2）样品中铁的质量分数为：$\frac{8.4g}{9g}$×100%=93.3%
（3）所得溶液中溶质的质量分数为：$\frac{22.8g}{150g+8.4g-0.3g-25.4g}$×100%═17.5%
答：（1）乙同学所取用的稀硫酸与铁样品恰好完全应；
（2）样品中铁的质量分数为93.3%；
（3）恰好完全反应后所得溶液中溶质的质量分数为17.5%．
故答案为：（1）乙；  
（2）93.3%；
（3）17.5%．

点评 本题以实验探究的形式考查如何得到纯净的一氧化碳及根据化学方程式的计算题、实验设计等问题，要同学们具有综合的化学知识，再可做好此题．此题难度较大．