Question

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，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。

（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：                       。

②使上述制得的气体通过___________装置方能获得干燥的N2

（2）实验步骤：

①按图连接装置，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                                                 。

（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____________________②写出该实验中氧化铁与炭粉发生反应的化学方程式：                 。

（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            。

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_________（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：           。

Answer 1

【答案】

（1）① NH4+ + NO2-==N2↑+2H2O   （2分）  ②  B（2分）

（2）步骤②通入氮气的目的是排除装置中的O2（空气）（1分）

     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（1分）

（3）①生成的CO2质量小于生成气体的总质量； ②2C+Fe2O32Fe+CO↑+CO2 ↑ （2分）

（4）①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；（1分）M （BaCO3）﹥ M（CaCO3），相对误差小。（1分） ②7.6（2分）③从环保的角度来看生成的CO也要处理掉，因此应该在尾气出口处加一点燃的酒精灯或增加一尾气处理装置。（2分）

【命题立意】本题考查过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分的实验研究。

【解析】(1)①由题目信息：氯化铵和亚硝酸钠（NaNO2）混合加热生成氮气，故离子方程式为：NH4+ + NO2-==N2↑+2H2O；②浓硫酸具有吸水性，可以用于干燥N2，故选装置B；(2)步骤②通入氮气的目的是排除装置中的O2（空气），从而防止碳粉与空气中的氧气接触反应；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，以使生成的CO2与澄清石灰水完全反应；(3)①分析反应前后装置及所含药品质量变化可知，过量碳粉与氧化铁反应后生成气体(48.48+3.2+2)-52.24=1.44g，而由气体通入澄清的石灰水后所得沉淀分析，CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O，n(CO2)=n(CaCO3)=2g/100g·mol-1=0.02mol，可知m(CO2)=0.02×44g·mol-1=0.88g<1.44g，可判定气体产物还存在CO，且m(CO)=1.44g-0.88g=0.56g，n(CO)=0.02mol；②、由①中分析可知，碳粉与氧化铁反应后得到的气体为CO和CO2，且

n(CO)：n(CO2)=1：1，据此可得出该反应的化学方程式：2C+Fe2O32Fe+CO↑+CO2 ↑；(4)①将澄清石灰水换成Ba(OH)2 溶液的原因是Ba(OH)2 溶解度大，浓度大，使CO2 被吸收的更完全，M (BaCO3 )＞M (CaCO3)，称量时相对误差小。②c(Ba2+)=0.2mol/L，当c(Ba2+)

·c(CO32-)≧Ksp(BaCO3)，溶液开始产生沉淀，则由Ksp(BaCO3)=5.0×10-9=c(Ba2+)·c(CO32-)，得c(CO32-)=2.5×10-8mol/L，PC=7.6；③、从环保的角度来看生成的CO也要处理掉，因此应该在尾气出口处加一点燃的酒精灯或增加一尾气处理装置；