Question

14．李强在学习了高中化学《铁及其化合物》一节的知识后，对初中“铁丝在氧气中燃烧”实验中的产物产生了疑惑，他认为燃烧时溅落下来的黑色物质中除了Fe₃O₄外可能还含有其他物质，为了验证自己的猜想，他在实验室中重做该实验，并进行了如下探究活动：查阅资料：①自然界中铁的氧化物主要是Fe₃O₄和Fe₂O₃两种，FeO高温时极易被氧化为Fe₂O₃，而Fe₂O₃在高温时又容易分解成Fe₃O₄和一种气体；②铁的氧化物的分解温度及铁的熔点：

	Fe3O4	Fe2O3	Fe
分解温度/°C	1538	1400	-
熔点/°C	-	-	1535

（1）根据以上资料，李强提出猜想：黑色物质的成分可能为Fe和Fe₃O₄．为了确定黑色物质的成分，李强设计了如下几个实验方案：
方案1：取该黑色物质溶于足量的稀硫酸中，观察是否有大量气体生成．
方案2：称取碾碎成粉末状的黑色物质a g，在空气中充分灼烧，待反应完全后，在干燥器里冷却，再称重，反复多次直到固体恒重，称得质量为b g，比较a、b的关系．
方案3：取少量碾碎成粉末状的黑色物质，用磁铁吸引，看是否被吸起．
你认为能够证明李强猜想的合理实验方案是方案2，其他方案不合理的原因是黑色固体中Fe含量很少，同时在溶液中发生反应：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，则方案1看不到明显现象（只说其中的一个理由）．
（2）针对李强的质疑，研究性学习小组又设计了新的探究方案，装置如下图所示．

a．若反应都进行完全，要想确定黑色固体成分必须测定下列物理量中的②③⑤（只填序号）．
①通入氢气体积V　②反应前，黑色固体+硬质玻璃管的总质量m₁　③完全反应后黑色固体+硬质玻璃管的总质量m₂　④实验前，干燥管质量m₃　⑤硬质玻璃管质量m₄　⑥锌粒质量m₅　⑦稀硫酸中含溶质的量n　⑧实验后，干燥管质量m₆．
b．根据测定的实验数据，计算出黑色固体中Fe₃O₄的质量分数为$\frac{29（m1-m2）}{8（m2-m3）}$．
（3）向一定量FeO、Fe和Fe₃O₄的混合物中加入100 mL l.5 mol•L^-1的盐酸，使混合物完全溶解，放出224mL（标准状况）气体，再向反应后的溶液中加入1 mol•L^-1NaOH溶液，要使铁元素完全沉淀下来，所加入NaOH溶液的体积最少为C
A.90 mL             B.100 mL         C.150 mL            D.200 mL．

Answer 1

分析 （1）根据Fe的熔点及两种氧化物的分解温度确定黑色物质的成分；
（2）根据反应前后黑色固体与硬质玻璃管总质量的差值即为Fe与O₂反应消耗O₂的质量来判断；
（3）当铁元素恰好完全沉淀时，溶液中剩余的溶质为NaCl，据此化学式可知n（Na⁺）=n（Cl^-）=n（NaOH）=n（HCl），据此计算．

解答 解：（1）根据Fe的熔点及两种氧化物的分解温度可知Fe熔化的温度下，Fe₂O₃已分解，不可能存在于黑色物质中．验证黑色物质中是否存在Fe应利用Fe与Fe₃O₄的不同，酸液中，Fe₃O₄会生成Fe³⁺，将可能存在的Fe氧化为Fe²⁺，不放出气体，而Fe与Fe₃O₄ 都有磁性，都能被磁铁吸引，Fe₃O₄也具有磁性，能被磁铁吸引，方案3不可取．故答案为：Fe和Fe₃O₄；黑色固体中Fe含量很少，同时在溶液中发生反应：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，则方案1看不到明显现象；
（2）反应前后黑色固体与硬质玻璃管总质量的差值即为Fe与O₂反应消耗O₂的质量，为：m1-m2，根据反，3Fe+2O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$Fe₃O₄，从而可以求出原黑色固体中Fe₃O₄的质量是$\frac{29（m1-m2）}{8}$g，质量分数是$\frac{29（m1-m2）}{8（m2-m3）}$×100%=，故答案为：②③⑤；$\frac{29（m1-m2）}{8（m2-m3）}$；
（3）当铁元素恰好完全沉淀时，溶液中剩余的溶质为NaCl，据此化学式可知n（Na⁺）=n（Cl^-）=n（NaOH）=n（HCl），即0.1 L×1.5 mol/L=1 mol/L×V（NaOH），解得：V（NaOH）=0.15 L．故选C．

点评 本题是一道关于铁元素以及化合物性质实验方案设计的考查题，注意知识的归纳和梳理是关键，难度不大．