Question

2．某研究性学习小组请你参与“研究铁与水反应所得固体物质的成分、性质及再利用”实验探究，并共同解答下列问题：
探究一　设计如图1所示装置进行“铁与水反应”的实验．
（1）硬质玻璃管中发生反应的化学方程式为3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂．
（2）反应前A中投放碎瓷片的目的是防止暴沸．
（3）装置E中的现象是黑色固体变红，右端管壁有水珠．
探究二　设计如下实验方案确定反应后硬质玻璃管中黑色固体的成分．
（4）待硬质玻璃管B冷却后，取少许其中的固体物质溶于稀硫酸后，将所得溶液分成两份．
（5）一份滴加几滴KSCN溶液．若溶液变血红色，推断硬质玻璃管B中固体物质的成分为①（选填序号，下同）；若溶液未变血红色，推断硬质玻璃管B中固体物质的成分为②．
①一定有Fe₃O₄  ②一定有Fe  ③只有Fe₃O₄  ④只有Fe
（6）另一份用胶头滴管（填仪器名称）加入酸性KMnO₄溶液，溶液褪色，可以证明溶液中存在Fe²⁺．
探究三　设计如下流程（如图2）测定反应后硬质玻璃管B中固体含铁元素的质量分数．

（7）试剂b的化学式是NaOH．
（8）计算反应后B装置中铁元素的质量分数为77.8%．

Answer 1

分析 【探究一】（1）铁与水蒸气在高温下反应生成四氧化三铁和氢气，据此写出反应的化学方程式；
（2）给液体加热时容易发生暴沸现象，加入碎瓷片可防止暴沸；
（3）装置E中氢气还原黑色的氧化铜，反应生成红色的铜单质和水；
【探究二】在验证反应后黑色固体的成分时，检验Fe³⁺，最佳试剂为KSCN溶液；在确定存在Fe³⁺时，检验Fe²⁺，可用酸性KMnO₄溶液．由于酸性KMnO₄溶液与盐酸发生反应，所以在溶解反应后的黑色固体时，不能用盐酸，也不能用硝酸（因为HNO₃可氧化Fe²⁺），可用稀硫酸，据此解答（4）（5）（6）；
【探究三】（7）由“红棕色固体”知，该物质为Fe₂O₃，反应转化关系为：FeCl₃$\stackrel{NaOH}{→}$Fe（OH）₃和NaCl，则试剂b为NaOH溶液；
（8）氧化铁的质量为：m（Fe₂O₃）=32g，根据n=$\frac{m}{M}$计算出氧化铁的物质的量，再根据铁元素守恒计算出铁的物质的量、质量，最后计算出反应后B装置中铁元素的质量分数．

解答 解：【探究一】（1）硬质管中铁与水蒸气在高温下反应生成四氧化三铁和氢气，反应的化学方程式为：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂，
故答案为：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂；
（2）液体加热时容易发生暴沸现象，加入碎瓷片的作用是防止暴沸，
故答案为：防止暴沸；
（3）装置E中发生反应为：H₂+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+H₂O，则反应现象是：黑色固体变红，右端管壁有水珠，
故答案为：黑色固体变红，右端管壁有水珠；
【探究二】在验证反应后黑色固体的成分时，检验Fe³⁺，最佳试剂为KSCN溶液；在确定存在Fe³⁺时，检验Fe²⁺，可用酸性KMnO₄溶液．由于酸性KMnO₄溶液与盐酸发生反应，所以在溶解反应后的黑色固体时，不能用盐酸，也不能用硝酸（因为HNO₃可氧化Fe²⁺），可用稀硫酸，
（4）根据分析可知，溶解反应后固体需要用稀硫酸，
故答案为：稀硫酸；
（5）一份滴加几滴KSCN溶液，若溶液变血红色，说明溶液中含有铁离子，则可推断硬质玻璃管B中固体物质的成分为：①一定有Fe₃O₄；
若溶液未变血红色，则溶液中不存在铁离子，可推断硬质玻璃管B中固体物质中一定存在Fe，即②正确，
故答案为：①；②；
（6）检验亚铁离子，需要用胶头滴管加入酸性高锰酸钾溶液，若酸性高锰酸钾溶液褪色，则证明溶液中含有亚铁离子，
故答案为：胶头滴管；酸性KMnO₄溶液，溶液褪色；
【探究三】（7）由“红棕色固体”知，该物质为Fe₂O₃，则FeCl₃$\stackrel{NaOH}{→}$Fe（OH）₃和NaCl，过滤后加强热生成红棕色固体，则试剂b为NaOH溶液，
故答案为：NaOH；
（8）氧化铁的质量为：m（Fe₂O₃）=32g，则氧化铁的物质的量为：n（Fe₂O₃）=$\frac{32g}{160g/mol}$=0.2mol，则含有铁元素的物质的量为：n（Fe）=0.4mol，则反应后B装置中铁元素的质量分数为：$\frac{56g/mol×0.4mol}{28.8g}$×100%≈77.8%，
故答案为：77.8%．

点评 本题通过铁及其化合物性质考查了探究物质组成、测量物质含量的方法，题目难度中等，注意掌握探究实验的设计方法，明确铁及其化合物性质，试题涉及知识点较多、综合性较强，充分考查学生的分析、理解能力及化学实验、进行计算能力．