Question

5．已知：
Ⅰ、高温下铁跟水蒸气可以发生反应：3Fe+4H₂O（g）=Fe₃O₄+4H₂
Ⅱ、Fe₃O₄可以溶解在稀盐酸中：Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O（在稀硫酸中也发生类似反应）
某化学小组在一次实验中，先将一定量的铁跟水蒸气反应，再将反应后得到的固体A溶于适量的稀硫酸中，使两者恰好完全反应得到溶液B．经过测定，溶液B里金属离子与硫酸根离子物质的量之比为4：5．
回答下列问题：
（1）溶液B中溶质的化学式为：FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃．
（2）固体A的成分一定含有（写化学式）Fe、Fe₃O₄，形成溶液B时除了发生类似类似反应Ⅱ的反应外，还可能发生的反应有（用两个离子方程式表示）：
①Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑，②2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺．
（3）关于在同一溶液中，反应①和②进行的先后顺序，各位同学有不同观点：甲认为①先于②；乙认为②先于①；丙认为…．
请就其中两种假设的情况进行讨论分析：
如果只发生①未发生②，则固体A中各成分的物质的量之比应为：1：1．
如果只发生②未发生①，则固体A中各成分的物质的量之比应为：1：5．

Answer 1

分析 （1）因固体A与稀硫酸恰好完全反应，所得溶液中阳离子只能是Fe²⁺与Fe³⁺两者中一种或两种，若全部是FeSO₄，则金属离子与硫酸根离子之比为1：1，若全部为
Fe₂（SO₄）₃，结合金属离子与硫酸根离子之比为2：3进行判断；
（2）根据反应Fe₃O₄+8H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O可知，若只有Fe₃O₄，Fe²⁺与Fe³⁺两者之比为1：2，金属离子与硫酸根离子的物质的量之比为3：8，则A中含有Fe₃O₄、Fe；两种固体均能与稀硫酸反应，并且生成的Fe³⁺也能与Fe发生反应，据此写出反应的离子方程式；
（3）设溶液B里Fe²⁺物质的量为x，则Fe³⁺的物质的量为4-x，硫酸根离子的物质的量为5，则根据电荷守恒可得：2x+3（4-x）=5×2，解得：x=2，则y=4-2=2，说明反应后溶液中Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量之比为1：1，然后通过讨论判断固体A中Fe与Fe₃O₄的物质的量之比．

解答 解：（1）因固体A与稀硫酸恰好完全反应，所得溶液中阳离子只能是Fe²⁺与Fe³⁺两者中一种或两种，若全部是FeSO₄，则金属离子与硫酸根离子之比为1：1，若全部为
Fe₂（SO₄）₃，则金属离子与硫酸根离子之比为2：3，而溶液中金属离子与硫酸根离子之比为4：5，该比值大于2：3小于1：1，则溶液中含有Fe²⁺与Fe³⁺两种离子，即溶液B中溶质的化学式为：FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃，
故答案为：FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃；
（2）因为Fe₃O₄+8H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O，若只有Fe₃O₄，Fe²⁺与Fe³⁺两者之比为1：2，则A中除含有外Fe₃O₄，还含有Fe，即A中含有Fe₃O₄、Fe；
两种固体均能与稀硫酸反应，并且生成的Fe³⁺也能与Fe发生反应，则反应的离子方程式有：①Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑，②2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，
故答案为：Fe、Fe₃O₄；Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑；2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；
（3）设溶液B里Fe²⁺物质的量为x，则Fe³⁺的物质的量为4-x，硫酸根离子的物质的量为5，
则根据电荷守恒可得：2x+3（4-x）=5×2，解得：x=2，则y=4-2=2，说明反应后溶液中Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量之比为1：1，
如果只发生①未发生②，Fe₃O₄中Fe²⁺与Fe³⁺两者之比为1：2，若要满足反应后溶液中Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量之比为1：1，则Fe、Fe₃O₄的物质的量之比为1：1；
如果只发生②未发生①，设Fe的物质的量为xmol、Fe₃O₄的物质的量为ymol，ymolFe₃O₄中含有ymolFe²⁺、2ymolFe³⁺，xmolFe发生反应2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺消耗2xmolFe³⁺，同时生成3xmolFe²⁺，则反应后溶液中含有（y+3x）molFe²⁺、（2y-2x）mol Fe³⁺，由于反应后溶液中Fe²⁺与Fe³⁺的物质的量之比为1：1，则（y+3x）=（2y-2x），整理可得：x：y=1：5，即Fe与Fe₃O₄的物质的量之比为1：5，
故答案为：1：1，1：5．

点评 本题考查了铁及其化合物性质，题目难度中等，明确常见元素及其化合物性质为解答关键，注意掌握讨论法在化学计算中的应用，试题培养了学生的分析、理解能力及逻辑推理能力．