Question

14．已知木炭粉（假設(shè)木炭粉中不含其他雜質(zhì)）和Fe₂O₃在高溫條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，興趣小組同學(xué)對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下探究．
I．生成固體組成分析
（1）實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到有黑色固體生成，小亮認(rèn)為生成了鐵粉，但小靈卻有不同看法，理由是當(dāng)固體中混有沒有反應(yīng)完的碳粉時，也是黑色．
（2）為進(jìn)一步確定黑色固體成分，小歡將生成的固體溶于足量稀硫酸，若觀察到固體全部溶解現(xiàn)象，則可以判斷生成的黑色固體全部是鐵．
Ⅱ．生成氣體成分分析
提出假設(shè)：生成氣體有以下三種可能的組成：
假設(shè)1：生成氣體是二氧化碳；
假設(shè)2：生成氣體是一氧化碳；
假設(shè)3：生成氣體是生成氣體是CO和CO₂的混合物．
【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】：為確定生成氣體的組成，小組同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖．
（1）實(shí)驗(yàn)中通入的氣體是純凈干燥的N₂，分析不通入空氣的主要理由是BC（填序號）．
A．空氣中的二氧化碳會使石灰水變渾濁
B．空氣中的氧氣會和木炭粉反應(yīng)生成CO或CO₂而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果
C．空氣中的二氧化碳、水蒸氣會和木炭粉反應(yīng)生成CO而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果
（2）定性研究：若實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到澄清石灰水變渾濁，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O．
（3）定量研究：現(xiàn)準(zhǔn)確稱取16.0g氧化鐵與2.4g木炭粉混合，在上述裝置中完全反應(yīng)．測得剩余固體質(zhì)量為11.2g．
【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】處理上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測算，可知假設(shè)假設(shè)3符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)．
拓展與延伸：合成氨工業(yè)生產(chǎn)中所用的α-Fe催化劑的主要成分是FeO、Fe₂O₃．當(dāng)催化劑中FeO與Fe₂O₃的質(zhì)量之比為9：20時，其催化活性最高．現(xiàn)以Fe₂O₃為原料制備上述催化劑，可向其中加入適量木炭粉，發(fā)生如下反應(yīng)：2Fe₂O₃+C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4FeO+CO↑．為制得這種活性最高的催化劑，應(yīng)向240gFe₂O₃粉末中加入木炭粉的質(zhì)量是3g．

Answer 1

分析 根據(jù)氧化鐵能與碳粉在加熱的條件下生成鐵和二氧化碳，鐵粉與碳粉均為黑色固體，生成的鐵能與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵，硫酸亞鐵的水溶液為淺綠色，碳粉不能與硫酸反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，生成的氣體由碳氧元素組成，可能是一氧化碳也可能時二氧化碳，或是二者的混合物，進(jìn)行檢驗(yàn)時，空氣中含有的氣體會與碳粉反應(yīng)生成二氧化碳或一氧化碳而對氣體造成干擾，故不能使用空氣，檢驗(yàn)二氧化碳使用的是澄清石灰水，一氧化碳有毒需進(jìn)行尾氣處理．

解答 解：Ⅰ（1）炭粉也是黑色固體，故答案為：當(dāng)固體中混有沒有反應(yīng)完的碳粉時，也是黑色；
 （2）鐵能與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵，硫酸亞鐵的水溶液為淺綠色，碳粉不能與硫酸反應(yīng)且不溶于水，故答案為：固體全部溶解；
Ⅱ提出假設(shè)：根據(jù)假設(shè)1和假設(shè)2可知?dú)怏w還可能是二者的混合氣體，故答案為：生成氣體是CO和CO₂的混合物；
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：（1）空氣中含有的氣體會與碳粉反應(yīng)生成二氧化碳或一氧化碳而對氣體造成干擾，故不能使用空氣，故選：BC； 
 （2）氫氧化鈣和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀和水；反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
碳和氧化鐵反應(yīng)生成一氧化碳的關(guān)系式，
3C～Fe₂O₃～2Fe
36   160     112
可以看出16克氧化鐵需要碳為3.6克，
碳和氧化鐵生成二氧化碳的關(guān)系式，
3C～2Fe₂O₃
36   320
可以看出生成二氧化碳需要碳1.8克，
碳的質(zhì)量2.4克介于兩者之間，所以生成的氣體含有一氧化碳、二氧化碳，故答案為：假設(shè)3；
拓展與延伸：
設(shè)需要木炭的質(zhì)量為y，氧化鐵的質(zhì)量為W，氧化亞鐵的質(zhì)量為N
2Fe₂O₃+C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4FeO+CO₂↑
320      12          288
W         y           N
$\frac{320}{W}=\frac{12}{y}=\frac{288}{N}$
所以生成氧化亞鐵為N=24y，
需要氧化鐵為W=$\frac{80y}{3}$，
（240g-$\frac{80y}{3}$）：24y=20：9
y=3g，
故答案為：3．

點(diǎn)評 本題考查了碳與氧化鐵反應(yīng)的有關(guān)實(shí)驗(yàn)探究，完成此題，可以依據(jù)已有的知識結(jié)合題干提供的信息進(jìn)行．