Question

14．有同学研究从矿石开始到产出钢铁的工艺流程．
（1）将6.62g铁矿石样品投入足量的盐酸中完全溶解后过滤，滤渣中不含铁元素．在滤液中加过量的NaOH溶液，充分反应，过滤、洗涤、灼烧得4.80g Fe₂O₃，求该铁矿石含铁的质量分数．
（2）现以该铁矿石为原料炼铁，若生产过程中铁元素损失4%，计算每生产1.00吨生铁（含铁96%），至少需要这种铁矿石多少吨？（保留两位小数）
（3）取某钢样粉末28.12g（假设只含Fe和C），在氧气流中充分反应，得到CO₂气体224mL（标准状况）．计算此钢样粉末中铁和碳的物质的量之比．
（4）再取三份不同质量的上述钢样粉末，分别加到100mL相同浓度的H₂SO₄溶液中，充分反应后，测得的实验数据如下表所示：

实验序号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
加入钢样粉末的质量/g	2.812	5.624	8.436
生成气体的体积/L（标准状况）	1.120	2.240	2.800

计算硫酸溶液的物质的量浓度
（5）若在实验Ⅱ中继续加入mg钢样粉末，计算反应结束后剩余的固体质量为多少？（用含m的代数式表示）

Answer 1

分析 （1）4.80gFe中m（Fe）=4.80g×$\frac{112}{160}$=3.36（g），该铁矿石中含铁的质量分数=$\frac{m（Fe）}{矿石质量}×100%$；
（2）设铁矿石的质量为x，x×$\frac{3.36g}{6.62g}×100%$×（1-4%）=1.00t×96%，据此计算铁矿石质量；
（3）n（C）=0.224L÷22.4L•mol^-1=0.010mol
m（C）=0.010mol×l2g•mol^-1=0.12g
n（Fe）=$\frac{28.12g-0.12g}{56g/mol}$=0.5mol；
（4）根据表中数据知，II中固体质量是I的2倍，生成气体体积是I的2倍，说明硫酸可能恰好完全反应也可能没有完全反应，III中固体质量是I的3倍，但生成气体体积小于I的3倍，说明III中硫酸完全反应，根据氢气体积计算硫酸的物质的量，根据c=$\frac{n}{V}$计算硫酸物质的量浓度；
（5）根据样品中铁是否完全溶解分析，剩余固体还包含碳的质量．

解答 解：（1）4.80gFe中m（Fe）=4.80g×$\frac{112}{160}$=3.36（g），该铁矿石中含铁的质量分数=$\frac{m（Fe）}{矿石质量}×100%$=$\frac{3.36g}{6.62g}×100%$=51%，
答：该铁矿石含铁的质量分数为51%；
（2）设铁矿石的质量为x，x×$\frac{3.36g}{6.62g}×100%$×（1-4%）=1.00t×96%，x=$\frac{1.00×96%}{\frac{3.36g}{6.62g}×100%×（1-4%）}$=1.97t，
答：至少需要这种铁矿石1.97t；
（3）n（C）=0.224L÷22.4L•mol^-1=0.010mol
m（C）=0.010mol×l2g•mol^-1=0.12g
n（Fe）=$\frac{28.12g-0.12g}{56g/mol}$=0.5mol，
则n（Fe）：n（C）=0.5mol：0.010mol=50：1
答：该样品中Fe、C的物质的量之比为50：1；
（4）根据表中数据知，II中固体质量是I的2倍，生成气体体积是I的2倍，说明硫酸可能恰好完全反应也可能没有完全反应，III中固体质量是I的3倍，但生成气体体积小于I的3倍，说明III中硫酸完全反应，
根据实验Ⅲ可得：
Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑
1 mol                22.4L
n（H₂SO₄）      2.800L
n（H₂SO₄）=0.125mol
c（H₂SO₄）=0.125mol÷0.1L=1.25mol•L^-1
答：硫酸的物质的量浓度是1.25mol/L；
（5）当钢样粉末中的铁未全部溶解时（m＞1.406g），
剩余的固体质量为：（5.624g+mg）-0.125mol×56g•mol^-1=（m-1.376）g
当钢样粉末中的铁全部溶解时（m≤1.406g），
剩余的固体质量为：（5.624+m）g×$\frac{0.12g}{28.12g}$=$\frac{（5.624+m）×0.12}{28.12}$g
答：当铁未完全溶解时，剩余固体的质量为（m-1.376）g；当铁完全溶解时，剩余固体的质量为$\frac{（5.624+m）×0.12}{28.12}$g．

点评 本题考查质量分数的计算及根据方程式的计算，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确各个物理量之间的关系是解本题关键，注意（4）中三个实验的分析，题目难度中等．