Question

5．铁及其化合物在日常的生活中应用广泛，请根据下列实验回答问题：
（1）钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀的正极反应式为2H₂O+O₂+4e^-=4OH^-
（2）生铁中含有一种铁碳化合物X（Fe₃C）．X在足量的空气中高温煅烧，生成有磁性的固体Y，Y可溶于过量盐酸，形成黄绿色的溶液，写出Y与硫酸反应的化学方程式：Fe₃O₄+3H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O．
若要检验反应后溶液中的Fe²⁺离子，应选用d（填写序号）．
a．KSCN溶液和氯水 b．铁粉和KSCN溶液
c．浓氨水 d．酸性KMnO₄溶液
（3）实验研究发现，硝酸发生氧化还原反应时，硝酸的浓度越稀，对应还原产物中氮元素的化合价越低．现有一定量铝粉和铁粉的混合物与一定体积某浓度的稀硝酸充分反应，反应过程中无气体放出（N元素被还原为NH₄⁺）．在反应结束后的溶液中，逐滴加入4mol•L^-1的NaOH溶液，所加NaOH溶液的体积（mL）与产生的沉淀的物质的量关系如图所示．则

①反应过程中，写出铝与硝酸反应的离子方程式：8Al+30H⁺+3NO₃^-=8Al³⁺+3NH₄⁺+9H₂O．
②混合物与硝酸反应后，Fe的存在形式是Fe³⁺，理由是反应中硝酸有剩余
③B与A的差值为0.008mol．
④C点对应的溶液体积为7mL．

Answer 1

分析 （1）钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀，正极正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子；
（2）Fe₃C在足量的空气中高温煅烧，生成有磁性的固体Y为四氧化三铁，四氧化三铁与硫酸反应生成硫酸铁、硫酸亚铁与水；
亚铁离子具有还原性，可以是酸性高锰酸钾溶液褪色褪色；
（3）①②通过题意，反应始终没有气体生成，可以得出不会有氮的氧化物生成，又有硝酸的浓度越稀，对应还原产物中氮元素的化合价越低，可以推测N元素由+5变成了-3价，由图可得硝酸过量，铝粉和铁粉被氧化为Al³⁺、Fe³⁺，反应后溶液加入氢氧化钠溶液应先与硝酸反应，再生成沉淀，当沉淀完全后，由图知继续加入氢氧化钠溶液，沉淀量不变，可得与NH₄⁺发生了反应，则随着NaOH的滴加，发生的反应依次有：
①H⁺+OH^-=H₂O，②Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓，Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，③NH₄⁺+OH^-═NH₃•H₂O，④Al（OH）₃ +OH^-=AlO₂^-+2H₂O；
③B与A的差值为氢氧化铝的物质的量，由EF段消耗的氢氧化钠，根据Al（OH）₃ +OH^-=AlO₂^-+2H₂O，可以得出Al（OH）₃的物质的量；
④根据NH₄⁺+OH^-=NH₃•H₂O 得出n（NH₄⁺）=（34-31）×10^-3L×5mol/L=0.03 mol，根据氧化还原反应，N元素由+5价变为-3价，而金属都由0价变为+3价，运用电子守恒得出金属的物质的量，再计算CD段消耗氢氧化钠溶液体积，进而计算C点消耗NaOH的体积．

解答 解：（1）钢铁发生吸氧腐蚀时构成原电池，铁易失电子作负极，碳作正极，正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电极反应式为：2H₂O+O₂+4e^-=4OH^-，
故答案为：2H₂O+O₂+4e^-=4OH^-；
（2）Fe₃C在足量的空气中高温煅烧，生成有磁性的固体Y为四氧化三铁，四氧化三铁与硫酸反应生成硫酸铁、硫酸亚铁与水，反应方程式为：Fe₃O₄+3H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O；
a．原溶液中含有铁离子，影响亚铁离子检验，故a错误；
b．铁粉与铁离子反应，不能检验亚铁离子，故b错误；
c．浓氨水与铁离子反应生成氢氧化铁沉淀，会影响亚铁离子检验，故c错误；
d．亚铁离子具有还原性，可以使酸性KMnO₄溶液溶液颜色褪去，可以检验亚铁离子，故d正确，
故答案为：Fe₃O₄+3H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O；d；
（3）通过题意，反应始终没有气体生成，可以得出不会有氮的氧化物生成，又有硝酸的浓度越稀，对应还原产物中氮元素的化合价越低，可以推测N元素由+5变成了-3价，由图可得硝酸过量，铝粉和铁粉被氧化为Al³⁺、Fe³⁺，反应后溶液加入氢氧化钠溶液应先与硝酸反应，再生成沉淀，当沉淀完全后，由图知继续加入氢氧化钠溶液，沉淀量不变，可得与NH₄⁺发生了反应，则随着NaOH的滴加，发生的反应依次有：
①H⁺+OH^-=H₂O，②Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓，Al³⁺+3OH^-=Al（OH）₃↓，③NH₄⁺+OH^-═NH₃•H₂O，④Al（OH）₃ +OH^-=AlO₂^-+2H₂O．
①反应过程中，铝与硝酸反应的离子方程式：8Al+30H⁺+3NO₃^-=8Al³⁺+3NH₄⁺+9H₂O，
故答案为：8Al+30H⁺+3NO₃^-=8Al³⁺+3NH₄⁺+9H₂O；
②混合物与硝酸反应后，Fe的存在形式是Fe³⁺，理由是：反应中硝酸有剩余，
故答案为：Fe³⁺；反应中硝酸有剩余；
③由图可知，EF段消耗的氢氧化钠溶液为36mL-34m=2mL，故该计算参加反应的氢氧化钠为0.002L×4mol/L=0.008mol，根据Al（OH）₃ +OH^-=AlO₂^-+2H₂O可知，Al（OH）₃的物质的量为0.008mol，
故答案为：0.008mol；
④由图可知，DE段消耗的氢氧化钠的体积为34mL-31m=3mL，故该阶段参加反应的氢氧化钠为0.003L×4mol/L=0.012mol，根据NH₄⁺+OH^-═NH₃•H₂O 可知，溶液中n（NH₄⁺）=0.012ml，N元素由+5价变为-3价，而金属都由0价变为+3价，由电子守恒得出金属的物质的量为0.012mol×8÷3=0.032 mol，所以CD段消耗NaOH的体积为：$\frac{0.032mol×3}{4mol/L}$=0.024L=24mL，则C点NaOH溶液体积为31mL-24mL=7mL，
故答案为：7．

点评 本题考查金属与硝酸的反应、离子方程式的书写、氧化还原反应、混合物计算、金属电化学腐蚀等知识点，难度较大，清楚图中各阶段反应过程，据此判断出硝酸的还原产物以及电子转移守恒的运用是解题关键．