Question

2．社会实践活动中，课外兴趣小组对某钢铁厂的铁矿石样品和钢样进行实验、分析、计算，了解了该钢铁厂生产原料、产品的相关信息．下面请你根据他们的实验帮助计算回答：
取该厂的某钢样粉末28.36g（假设只含Fe和C），在氧气流中充分反应，将产生的气体通入足量的澄清石灰水中，得到3g白色沉淀．
（1）计算此钢样粉末中铁和碳的质量之比．
（2）再取三份不同质量的钢样粉末分别加到50　g质量分数相同的硫酸中，充分反应后，测得的实验数据如下表所示：（标准状况下，2g H₂的体积为22.4　L）

实验序号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
加入钢样粉末的质量/g	2.836	5.672	8.508
生成气体的体积（标准状况）/L	1.12	2.24	2.80

请根据表中数据计算硫酸中H₂SO₄的质量分数．
（3）若在实验Ⅱ中继续加入m g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）根据CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃+H₂O计算燃烧生成二氧化碳物质的量，再计算碳原子质量与Fe的质量，可得粉末中铁和碳的质量之比；
（2）根据实验数据可知，实验I、Ⅱ中硫酸过量，但在Ⅲ中生成的氢气不是3.36L，说明硫酸不足，计算Ⅲ中生成氢气物质的量，根据H原子守恒计算硫酸的质量，进而计算硫酸的质量分数；
（3）根据Ⅱ、Ⅲ生成氢气体积之差计算Ⅱ中剩余硫酸物质的量，再计算可以溶解Fe的质量，结合（1）中质量之比计算Ⅱ中剩余硫酸完全反应时加入钢样质量，如果m大于该值，则硫酸不足，如果 m≤该值，所剩余固体是碳．

解答 解：（1）设生成二氧化碳的质量为m，则：
CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃+H₂O
44             100
m               3g
解得m=$\frac{3g×44}{100}$=1.32g
所以碳原子的质量是$\frac{1.32g}{44g/mol}$×12g/mol=0.36g，
所以铁的质量是28.36g-0.36g=28.00g
因此钢样粉末中铁和碳的质量之比28.00：0.36=700：9，
答：钢样粉末中铁和碳的质量之比为700：9；
（2）根据实验数据可知，实验I、Ⅱ中硫酸过量，8.508g中Fe完全反应生成氢气为1.12L×$\frac{8.508g}{2.836g}$=3.36L，但在Ⅲ中生成的氢气不是3.36L，说明硫酸不足．所以产生的氢气质量是$\frac{2.8L}{22.4L}$×2g=0.25g，则稀硫酸中溶质是$\frac{0.25g}{2g/mol}$×98g/mol=12.25g．所以硫酸的质量分数是$\frac{12.25g}{50g}$×100%=24.5%，
答：硫酸的质量分数是24.5%；
（3）根据以上分析可知，实验Ⅱ中剩余硫酸反应生成氢气的质量是$\frac{2.8L-2.24L}{22.4L}$×2g=0.05g，物质的量为0.025mol，则实验Ⅱ中剩余硫酸为0.025mol，
根据方程式Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑，可知溶解铁的质量是0.025mol×56g/mol=1.4g，则对应样品质量是1.4g×$\frac{709}{700}$=1.418g，
当m＞1.418 g，则硫酸不足，所以剩余固体质量为：（m+5.672-12.25×$\frac{56}{98}$）g=（m-1.328）g
当m≤1.418 g，硫酸过量，所以剩余固体是碳，质量为：（5.672+m）×$\frac{9}{709}$ g，
故答案为：当m＞1.418 g，所剩余固体质量为（m-1.328）g，
当m≤1.418 g，所剩余固体质量为（5.672+m）×$\frac{9}{709}$ g．

点评 本题考查混合物有关计算，侧重考查学生对实验数据的分析处理，关键是判断Fe与硫酸反应过量问题，（3）为易错点，注意进行讨论计算，难度较大．