Question

14．鋼鐵工業(yè)是國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ)．
I．如圖1是教材中煉鐵高爐及爐內(nèi)化學(xué)變化過(guò)程示意圖，根據(jù)圖示回答下列問(wèn)題．

若圖中采用的鐵礦石的主要成分為氧化鐵，請(qǐng)寫(xiě)出A區(qū)發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
Ⅱ．如圖2所示，化學(xué)興趣小組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室里利用碳和氧化鐵反應(yīng)模擬煉鐵，得到了無(wú)色氣體A和黑色粉末B，并探究?jī)烧叩某煞郑?br />（一）甲組同學(xué)對(duì)無(wú)色氣體A的成分進(jìn)行探究．
【猜想與假設(shè)】
猜想1：A中只有CO₂；  猜想2：A中只有CO；  猜想3：A中有CO₂和CO．
【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】
甲組同學(xué)按如圖3所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（箭頭表示氣體流向，NaOH溶液的作用是除去氣體中的CO₂）．

【討論交流】
實(shí)驗(yàn)證實(shí)猜想3正確，則：
（1）Ⅰ中澄清石灰水的作用是檢驗(yàn)CO₂，能證明猜想3成立的現(xiàn)象是Ⅰ中澄清石灰水變渾濁，Ⅲ中黑色固體變?yōu)榧t色（或I、Ⅳ中澄清石灰水均變渾濁）．
（2）Ⅲ中反應(yīng)的化學(xué)方程式CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂．
（二）乙組同學(xué)對(duì)黑色粉末B的成分進(jìn)行探究．
【查閱資料】
①碳（或一氧化碳）還原氧化鐵的固體產(chǎn)物可能有四氧化三鐵、氧化亞鐵、鐵．
②碳（或一氧化碳）還原氧化鐵的產(chǎn)物成分與反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素有關(guān)．
③

物質(zhì) 性質(zhì)	四氧化三鐵	氧化亞鐵	氧化鐵	鐵粉
顏色	黑色	黑色	紅色	黑色
能否被磁鐵吸引	能	不能	不能	能

【初步實(shí)驗(yàn)與猜想】
①小組同學(xué)將反應(yīng)后的黑色固體研磨后，再用磁鐵吸引，發(fā)現(xiàn)黑色固體粉末全部能被吸引，則該黑色固體粉末中不可能含有氧化鐵和氧化亞鐵（或FeO）．
②進(jìn)行猜想：黑色固體粉末可能是：
猜想一：全部是Fe；猜想二：全部是Fe₃O₄；猜想三：是Fe和Fe₃O₄的混合物．
【進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)】該小組按如圖4裝置設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在一定溫度下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得下列數(shù)據(jù)：
①應(yīng)前稱取5.8g黑色粉末B加入玻璃管內(nèi) （玻璃管的質(zhì)量為60.0g）
②充分反應(yīng)后管內(nèi)固體全部是鐵，玻璃管和管內(nèi)固體的總質(zhì)量64.2g（已冷卻到室溫）．
【得出結(jié)論】根據(jù)上述數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出該黑色粉末B是Fe₃O₄．
【反思與評(píng)價(jià)】碳（或一氧化碳）還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)中，若要得到鐵可適當(dāng)提高反應(yīng)溫度和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間．

Answer 1

分析 Ⅰ、根據(jù)A區(qū)主要生成鐵分析發(fā)生的反應(yīng)，寫(xiě)出反應(yīng)的方程式；
Ⅱ、（一）（1）根據(jù)檢驗(yàn)二氧化碳的方法來(lái)分析；根據(jù)一氧化碳的性質(zhì)來(lái)分析；
（2）在加熱的條件下，一氧化碳與氧化銅反應(yīng)生成銅和二氧化碳；
（二）①根據(jù)題意黑色固體粉末全部能被吸引分析不可能含有的物質(zhì)；
②根據(jù)鐵和四氧化三鐵都是黑色、都能被磁鐵吸引，對(duì)黑色粉末進(jìn)行猜想．
根據(jù)黑色固體的質(zhì)量，可求出鐵的質(zhì)量和含有的氧元素的質(zhì)量，再根據(jù)減少的質(zhì)量分析黑色固體粉末的成分．

解答 解：Ⅰ．由煉鐵的原理可知，在A區(qū)發(fā)生的反應(yīng)主要是：在高溫條件下，一氧化碳將氧化鐵還原為鐵同時(shí)生成了二氧化碳，反應(yīng)的方程式是：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；故填：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
Ⅱ．（一）（1）二氧化碳能使澄清的石灰水變渾濁，所以Ⅰ中澄清石灰水是用來(lái)檢驗(yàn)氣體中是否含有二氧化碳，故填：檢驗(yàn)CO₂；
若氣體A是一氧化碳與二氧化碳的混合物，則會(huì)觀察到Ⅰ中澄清石灰水變渾濁，在加熱的條件下，一氧化碳能將黑色的氧化銅還原為紅色的銅，同時(shí)生成二氧化碳，觀察到Ⅳ中澄清石灰水變渾濁，故填：Ⅰ中澄清石灰水變渾濁，Ⅲ中黑色固體變?yōu)榧t色（或I、Ⅳ中澄清石灰水均變渾濁）；
（2）在加熱的條件下，一氧化碳與氧化銅反應(yīng)生成銅和二氧化碳，化學(xué)方程式為：CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂，故填：CO+CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Cu+CO₂；
（二）【初步實(shí)驗(yàn)與猜想】①由題意可知，黑色固體粉末全部能被吸引，則該黑色固體粉末中不可能含有氧化鐵和氧化亞鐵．故填：氧化亞鐵（或FeO）；
②由題意可知，黑色固體粉末全部能被吸引，黑色固體粉末可能是全部為鐵或全部為四氧化三鐵或四氧化三鐵與鐵粉的混合物．故填：Fe和Fe₃O₄的混合物；
【得出結(jié)論】根據(jù)題干信息可知，加熱反應(yīng)后，固體減少的質(zhì)量為氧元素的質(zhì)量，即60.0g+5.8g-64.2g=1.6g，鐵的質(zhì)量為：64.2g-60.0g=4.2g，則黑色固體中鐵元素與氧元素的質(zhì)量比為：$\frac{4.2g}{1.6g}$=$\frac{21}{8}$；Fe₃O₄中鐵元素與氧元素的質(zhì)量比為：$\frac{56×3}{16×4}$=$\frac{21}{8}$，若該黑色固體中含有鐵的單質(zhì)，則該黑色固體中鐵元素與氧元素的質(zhì)量比就會(huì)大于$\frac{21}{8}$，所以該黑色固體是四氧化三鐵．故填：Fe₃O₄．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較強(qiáng)，較全面的考查了一氧化碳還原氧化鐵，尤其是利用數(shù)據(jù)對(duì)混合物的判斷增加了試題難度，掌握反應(yīng)前后元素的質(zhì)量不變，并會(huì)結(jié)合化學(xué)式分析即可順利解答．