题目内容

5．某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分进行研究．

设计方案如图1，将一定量的氧化铁在隔绝空气的条件下与过量炭粉完全反应，测定参加反应的碳元素与氧元素的质量比．
TiCl4MgMgCl2Ti
熔点/℃-25.0648.87141667
沸点/℃136.4109014123287
（1）查阅资料：
①氮气不与炭粉、氧化铁发生反应．实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO2）饱和溶液混合加热制得氮气．写出该反应的离子方程式：NH4++NO2-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N2↑+2H2O．
②使上述制得的气体通过B装置方能获得干燥的N2
（2）实验步骤：
①按图2连接装置，并检查装置的气密性，称取3.20g氧化铁、2.00g炭粉混合均匀，放入48.48g的硬质玻璃管中；
②加热前，先通一段时间纯净干燥的氮气；
③停止通入N2后，夹紧弹簧夹，加热一段时间，澄清石灰水（足量）变浑浊；
④待反应结束，再缓缓通入一段时间的氮气．冷却至室温，称得硬质玻璃管和固体总质量为52.24g；
⑤过滤出石灰水中的沉淀，洗涤、烘干后称得质量为2.00g．步骤②、④中都分别通入N2，其作用分别为步骤②通入氮气的目的是排除装置中的O2；步骤④通入氮气的目的是将生成的CO2全部通入澄清的石灰水中．
（3）数据处理：
①试根据实验数据分析，该反应的气体产物是CO2和CO，理由是过量炭粉与二氧化碳气体反应生成CO气体
②写出该实验中氧化铁与炭粉发生反应的化学方程式：2C+Fe2O3 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO2↑．
（4）实验优化：学习小组有同学认为应对实验装置进一步完善．
①甲同学认为：应将澄清石灰水换成Ba（OH）2溶液，其理由是将澄清的石灰水换成Ba（OH）2溶解度大，浓度大，使CO2被吸收更完全；碳酸钡的相对原子质量大于碳酸钙的，称量时相对误差小．
②pC类似pH，是指极稀溶液中溶质物质的量浓度的常用对数负值．如某溶液溶质的浓度为：1×10-3mol/L，则该溶液中该溶质的pC=-lg1×10-3=3．现向0.2mol/LBa（OH）2溶液中通入CO2气体，沉淀开始产生时，溶液中CO32-的PC值为7.6（已知：lg2=0.2；Ksp（BaCO3）=5.0x10-9）
③从环境保护的角度，请你再提出一个优化方案将此实验装置进一步完善：在尾气出口处加一点燃的酒精灯．

分析 （1）①根据反应物和生成物，结合质量守恒书写反应的离子方程式；
②Mg与氮气反应消耗，氮气不能与浓硫酸反应，通过饱和碳酸钠与碳酸氢钠溶液，溶液中有水，均起不到干燥的作用；
（2）如果不排尽空气，那么空气中的氧气会与炭粉反应影响反应后生成气体的组成；
（3）①碳粉与氧化铁反应生成二氧化碳气体，过量炭粉与二氧化碳气体反应生成CO气体；
②C与氧化铁反应生成Fe、CO和二氧化碳；
（4）①氢氧化钙为微溶物，氢氧化钡为易溶物，故氢氧化钡的浓度大，吸收二氧化碳的体积大，据此解答即可；
②BaCO3?Ba2++CO32-，Ksp为离子浓度幂之比，由溶液中的钡离子浓度为0.2mol，据此来计算CO32-浓度；
③一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃来进行尾气处理．

解答 解：（1）①氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO2）饱和溶液混合加热反应制得氮气，反应物有NH4Cl和NaNO2，生成物为N2，根据质量守恒还应用水，则反应的化学方程式为NH4++NO2-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N2↑+2H2O，故答案为：NH4++NO2-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N2↑+2H2O； 
②Mg与氮气反应消耗，氮气不能与浓硫酸反应，通过饱和碳酸钠与碳酸氢钠溶液，溶液中有水，均起不到干燥的作用，故答案为：B；
（2）若不排尽空气，那么空气中的氧气会与炭粉反应影响反应后生成气体的组成，所以利用稳定的氮气排空气，最后确保完全吸收，反应后还要赶出所有的CO2，
故答案为：步骤②通入氮气的目的是排除装置中的O2（空气），步骤④通入氮气的目的是将生成的CO2全部通入澄清的石灰水中；
（3）①碳粉与氧化铁反应生成二氧化碳气体，过量炭粉与二氧化碳气体反应生成CO气体，故答案为：过量炭粉与二氧化碳气体反应生成CO气体；
②过量炭粉与氧化铁反应的方程式为：2C+Fe2O3 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO2↑，故答案为：2C+Fe2O3 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO2↑；
（4）①将澄清石灰水换成Ba（OH）2溶液，这样会使二氧化碳被吸收的更完全，称量时相对误差小，故答案为：氢氧化钡的溶解度大，浓度大，使二氧化碳被吸收的更完全，碳酸钡的相对原子质量大于碳酸钙的，称量时相对误差小；
②因BaCO3?Ba2++CO32-，则Ksp=c（Ba2+）•c（CO32-），当Ba2+以碳酸盐的形式开始沉淀，则c（CO32-）=$\frac{5.0×1{0}^{-9}}{0.2}$=$\frac{5}{2}$×10-8，所以pC值为-lg$\frac{5}{2}$×10-8=7.6，故答案为：7.6；
③一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃来进行尾气处理，故答案为：在尾气口处加一点燃的酒精灯．

点评 本题主要考查的是物质组成与含量的测定，涉及离子反应方程式书写、沉淀溶解平衡计算、环境保护等，综合性较强，难度较大．

练习册系列答案
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以下说法正确的是（　　）
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A．6种B．8种C．10种D．12种
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（3）金刚烷与四氢二聚环戊二烯的关系是bd．（填字母）
A、互为同系物　　　　　　b、互为同分异构体　　　　　　c、均为烷烃　　　　　　d、均为环烃
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其中，反应②的反应试剂和反应条件是氢氧化钠的乙醇溶液中加热；X的名称是环戊烯；反应④的化学方程式是+2NaOH$→_{△}^{乙醇}$+2NaBr+2H2O；
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A．30.8%B．28.6%C．25.3%D．22.7%
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C．150mL 1mol•L-1  NaCl溶液D．75mL 1mol•L-1AlCl3溶液
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下列有关叙述中正确的是（　　）
①MnS的Ksp大于CuS的Ksp
②达到平衡时c（Mn2+）=c（Cu2+）
③溶液中加入少量Na2S固体后，溶液中c（Cu2+）、c（Mn2+）保持不变
④该反应平衡常数K=$\frac{{K}_{sp}（MnS）}{{K}_{SP}（CuS）}$．
A．①④B．②③C．①②③D．②③④

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