Question

5．鐵礦石冶煉成鐵是一個復(fù)雜的過程，把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐，在高溫下，利用焦炭與氧氣反應(yīng)生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來．一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．某化學(xué)興趣小組同學(xué)在學(xué)習(xí)煉鐵的相關(guān)內(nèi)容時，對煉鐵時還原劑的選擇進(jìn)行了如下探究．
【提出問題】單質(zhì)碳也具有還原性，生成的產(chǎn)物與一氧化碳還原氧化鐵相同．碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑．
為什么工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？
【猜想與假設(shè)】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)不易完全．
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)如下：
①稱取兩份相同質(zhì)量的氧化鐵粉末．一份與足量的碳粉均勻混合放入下圖裝置A的試管中；另一份放入下圖裝置B的玻璃管中．

②裝置A和B兩組實(shí)驗(yàn)同時進(jìn)行．在裝置B的反應(yīng)中，實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)先通CO（選填“通CO”或“加熱”）；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫，其原因是防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化．
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】當(dāng)裝置B的玻璃管中固體完全由紅色變?yōu)楹谏�（填“紅色變黑色”或“黑色變紅色”）時，裝置A的試管中仍有紅色物質(zhì)．
【解釋與結(jié)論】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)確實(shí)不易完全，這可能是工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因．
【交流與反思】經(jīng)過查閱資料和討論，該小組同學(xué)發(fā)現(xiàn)除了上述原因外，工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石還有一些其他原因，試寫出其中的一個：焦炭是固體，不容易和生成的鐵分離．
【完善實(shí)驗(yàn)】聯(lián)想到單質(zhì)碳的一些化學(xué)性質(zhì)，甲同學(xué)認(rèn)為在碳還原氧化鐵的反應(yīng)中可能還會有CO產(chǎn)生．經(jīng)檢驗(yàn)證實(shí)碳還原氧化鐵所得的氣體中確實(shí)含有CO和CO₂，因此裝置A的不足之處是缺少尾氣處理裝置．

Answer 1

分析 熟記一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)反應(yīng)式；
【提出問題】熟記碳還原氧化鐵的化學(xué)反應(yīng)式；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】②根據(jù)可燃性氣體與空氣混合加熱時有爆炸的危險(xiǎn)考慮；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】根據(jù)氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色分析判斷現(xiàn)象；
【交流與反思】根據(jù)實(shí)驗(yàn)完成后還要考慮分離出所要得到的物質(zhì)考慮；
【完善實(shí)驗(yàn)】根據(jù)澄清石灰水可以檢驗(yàn)二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳?xì)怏w考慮；

解答 解：一氧化碳與氧化鐵在高溫下反應(yīng)生成鐵和二氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
[提出問題]碳與氧化鐵在高溫的條件下反應(yīng)生成鐵和二氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]為防止一氧化碳與空氣混合加熱時，引起爆炸，在實(shí)驗(yàn)前要先通入CO；防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫．
[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]因氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色，B中的氧化鐵被完全還原后，由紅色變成黑色．此時由于A中的氧化鐵還沒有被完全還原，仍有紅色物質(zhì)；
[交流與反思]工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石還有一些其它原因，如焦炭是固體，不容易和生成的鐵分離；或焦炭中含有雜質(zhì)，影響鐵的純度；或焦炭與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳的同時放出大量的熱，可提供一氧化碳還原鐵礦石所需的高溫，節(jié)約能源等；
[完善實(shí)驗(yàn)]為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以檢驗(yàn)二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳?xì)怏w，所以先用C檢驗(yàn)二氧化碳的存在，為防止二氧化碳影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，再用D中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，再次連接C檢查二氧化碳是否被完全吸收；然后將氣體通過E，并再次連接C，如果氧化銅由黑色變成紅色，C中的澄清石灰水變渾濁，說明有一氧化碳?xì)怏w．因有一氧化碳存在，要進(jìn)行尾氣處理，而圖中缺少此裝置．
故答案為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
[提出問題]3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]通CO；防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化；
[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]紅色變?yōu)楹谏�；紅色物質(zhì)；
[交流與反思]焦炭是固體，不容易和生成的鐵分離（或焦炭中含有雜質(zhì)，影響鐵的純度；或焦炭與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳的同時放出大量的熱，可提供一氧化碳還原鐵礦石所需的高溫，節(jié)約能源）；
[完善實(shí)驗(yàn)]缺少尾氣處理裝置；

點(diǎn)評 本題以實(shí)驗(yàn)探究的形式考查化學(xué)反應(yīng)式的書寫、實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)、以及不用碳還原氧化鐵的原因，還有相關(guān)的拓展實(shí)驗(yàn)，可謂考查詳盡，即考查了知識，又培養(yǎng)了學(xué)生的細(xì)心、耐心分析解決問題的能力．