Question

【題目】某興趣小組在復(fù)習(xí)鐵的冶煉時(shí)，在參考資料上發(fā)現(xiàn)以下一段文字：已知在不同的溫度下，一氧化碳與鐵的氧化物反應(yīng)能生成另一種鐵的氧化物(或鐵單質(zhì))和二氧化碳，他們不禁產(chǎn)生了疑問：一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)生成的黑色物質(zhì)真的是鐵粉嗎？于是他們進(jìn)行了以下探究：

[查閱資料]

資料一：鐵粉和四氧化三鐵粉末能被磁鐵吸引而氧化亞鐵(黑色)不能；

資料二：四氧化三鐵中鐵元素有＋2、＋3兩種化合價(jià)，其化學(xué)式可用FeO·Fe2O3的形式表示。

[提出猜想]黑色物質(zhì)可能是四氧化三鐵、氧化亞鐵和鐵粉中的一種或幾種。

[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]興趣小組收集了一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)生成的黑色物質(zhì)進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)：

	實(shí)驗(yàn)方案	實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
甲	取少量黑色物質(zhì)用磁鐵吸引	黑色物質(zhì)全部被磁鐵吸引
乙	取少量黑色物質(zhì)加入30%熱的鹽酸中	無氣泡、溶液顏色變?yōu)辄S綠色
丙	取少量黑色物質(zhì)加入硫酸銅溶液中	無任何現(xiàn)象

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]

（1）甲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明黑色物質(zhì)中沒有_______，乙、丙實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明黑色物質(zhì)中沒有______；

（2）生成的黑色物質(zhì)應(yīng)為四氧化三鐵；

（3）寫出黑色粉末和熱的鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式_______________________________。

[拓展研究]

同學(xué)們對(duì)四氧化三鐵產(chǎn)生了興趣，從參考資料中找到氧化沉淀法生產(chǎn)復(fù)印用高檔四氧化三鐵粉的工藝流程簡(jiǎn)圖。

[生產(chǎn)流程]

[查閱資料]

資料一：硫酸亞鐵在不同溫度下的溶解度如下表所示：

溫度/℃	0	10	30	50	60	70	80	90
溶解度/g	14.0	17.0	25.0	33.0	35.3	33.0	30.5	27.0

資料二：氫氧化亞鐵受氧氣氧化反應(yīng)原理為4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3

資料三：獲得四氧化三鐵的反應(yīng)原理為Fe(OH)2＋2Fe(OH)3Fe3O4＋4H2O

[問題討論]

（1）溶解時(shí)，用50 ℃至80 ℃的熱水目的是____________________________________。

（2）寫出加入適量氫氧化鈉溶液時(shí)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式________________________。

（3）上述過程中，要控制“通一定量空氣”的目的是____________________________。

（4）要使四氧化三鐵的產(chǎn)率最高，則上述流程中產(chǎn)生的氫氧化亞鐵和氫氧化鐵的最佳質(zhì)量比為______________。

（5）副產(chǎn)品P是硫酸鈉，由溶液N獲得該副產(chǎn)品的操作順序是b→_____→_____→d。_______

a．過濾

b．加熱濃縮

c．冷卻結(jié)晶

d．晶體加熱至完全失去結(jié)晶水

[組成確定]

為確定用以上方法制得的四氧化三鐵中可能含有的雜質(zhì)，同學(xué)們又進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)探究。

[查閱資料]

資料一：難溶性堿受熱時(shí)能分解產(chǎn)生金屬氧化物和水(反應(yīng)中各種元素的化合價(jià)不變)；

資料二：氧化鐵和一氧化碳反應(yīng)是隨溫度升高而逐步進(jìn)行的，先生成四氧化三鐵，再生成氧化亞鐵(黑色)，最后生成鐵。

[提出猜想]

四氧化三鐵中可能含有的雜質(zhì)是氧化鐵和氧化亞鐵中的一種或兩種。

[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]

同學(xué)們稱取了23.28 g該四氧化三鐵樣品進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)：

[實(shí)驗(yàn)分析]

因探究思路不同，興趣小組分成甲、乙兩小組。

甲組：

（1）該組同學(xué)欲通過B裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量變化來計(jì)算確認(rèn)該四氧化三鐵樣品中的雜質(zhì)，B中的最佳試劑是_________(填序號(hào))。

①澄清石灰水�、跉溲趸�鈉濃溶液�、巯←}酸　　④水

（2）上述實(shí)驗(yàn)過程中，一氧化碳?xì)怏w除作為反應(yīng)物外，還能起到的作用是：

①實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，排盡裝置中的空氣，防止加熱時(shí)發(fā)生爆炸；

②停止加熱后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；

③_____________________________________________。

（3）乙組同學(xué)認(rèn)為B裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量差會(huì)偏小而影響計(jì)算、分析，你認(rèn)為他們的理由是_______________________________________________。

乙組：

利用儀器測(cè)定并繪制成反應(yīng)過程中A裝置中玻璃管內(nèi)的固體質(zhì)量隨溫度的變化曲線(如圖)：

（1）寫出BC段發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式______________________________。

（2）通過計(jì)算確定：該四氧化三鐵樣品中含有的雜質(zhì)是__________，其中含四氧化三鐵的質(zhì)量是____g。(不需要寫過程)

Answer 1

【答案】氧化亞鐵 鐵 Fe3O4＋8HCl=FeCl2＋2FeCl3＋4H2O 在50 ℃～80 ℃時(shí)，硫酸亞鐵的溶解度較大，有利于溶解的更多，提高產(chǎn)率 2NaOH＋FeSO4=Fe(OH)2↓＋Na2SO4 防止氫氧化亞鐵完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵 90∶214(或45∶107) c　a ② ③將裝置中的二氧化碳通入氫氧化鈉溶液中 一氧化碳從B中溶液里逸出時(shí)會(huì)帶出部分水蒸氣 Fe3O4＋CO3FeO＋CO2 氧化鐵 20.88 g

【解析】

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]（1）根據(jù)題意FeO不能被磁鐵吸引分析甲，根據(jù)鐵能與鹽酸、硫酸銅反應(yīng)的性質(zhì)分析乙、丙；

（3）根據(jù)金屬氧化物與鹽酸生鹽和水，寫出反應(yīng)的方程式；

[問題討論]（1）根據(jù)硫酸亞鐵的溶解度與溫度的關(guān)系進(jìn)行解答；

（2）根據(jù)堿和鹽反應(yīng)進(jìn)行解答；

（3）根據(jù)反應(yīng)條件可以影響反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行解答；

（4）根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知Fe(OH)2和Fe(OH)3的最佳質(zhì)量比；

（5）根據(jù)硫酸鈉的溶解性以及固體物質(zhì)的分離方法進(jìn)行解答；

【實(shí)驗(yàn)分析】

甲組：（1）根據(jù)氫氧化鈉溶液用于吸收二氧化碳進(jìn)行解答；

（2）根據(jù)一氧化碳還原四氧化三鐵的作用進(jìn)行解答；

（3）根據(jù)一氧化碳從B裝置中流出要帶走水蒸氣進(jìn)行解答；

乙組：（1）根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行程度判斷；

（2）根據(jù)氧元素的含量進(jìn)行判斷．根據(jù)鐵元素質(zhì)量守恒計(jì)算。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]：

(1)實(shí)驗(yàn)甲中看到黑色物質(zhì)全部被磁鐵吸引，說明沒有氧化亞鐵；實(shí)驗(yàn)丙中取少量黑色物質(zhì)加入硫酸銅溶液中無任何現(xiàn)象，說明沒有鐵；

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知黑色固體為四氧化三鐵，和鹽酸反應(yīng)生成氯化鐵、氯化亞鐵和水。黑色粉末和熱的鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：Fe3O4＋8HCl=FeCl2＋2FeCl3＋4H2O；

[問題討論]：

(1)根據(jù)圖表中的信息可知，在50 ℃至80 ℃的熱水中，硫酸亞鐵的溶解度較大，利于溶解更多的硫酸亞鐵，提高產(chǎn)率；

(2)氫氧化鈉和硫酸亞鐵反應(yīng)生成氫氧化亞鐵和硫酸鈉：2NaOH+FeSO4=Fe(OH)2↓+Na2SO4 ；

(3)上述過程中，要控制“通一定量空氣”的目的是控制氫氧化亞鐵轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵的量，防止氫氧化亞鐵完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵；

(4)要使四氧化三鐵的產(chǎn)率最高，上述流程中產(chǎn)生的氫氧化亞鐵與氫氧化鐵的物質(zhì)的量之比為1∶2，最佳質(zhì)量比為90∶214(或45∶107)；

(5)根據(jù)硫酸鈉晶體的溶解度隨溫度的升高而增大，采用加熱濃縮、冷卻結(jié)晶的方法，再過濾，晶體加熱至完全失去結(jié)晶水，得到硫酸鈉，故答案為：c　a ；

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]

甲組：(1)氫氧化鈣的溶解性很小，不能保證把生成的二氧化碳全部吸收；二氧化碳溶解水的能力也不大，不能保證把生成的二氧化碳全部吸收；稀鹽酸和二氧化碳不反應(yīng)；只有氫氧化鈉溶液保證把生成的二氧化碳全部吸收，故選用氫氧化鈉濃溶液，即選②；

(2)上述實(shí)驗(yàn)過程中，一氧化碳?xì)怏w除作為反應(yīng)物外，還能起到的作用是：

①實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，排盡裝置中的空氣，防止加熱時(shí)發(fā)生爆炸；

②停止加熱后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；

③將裝置中的二氧化碳通入氫氧化鈉溶液中；

(3)一氧化碳從B中溶液里逸出時(shí)會(huì)帶出部分水蒸氣，而影響計(jì)算樣品中雜質(zhì)的質(zhì)量；

乙組：(1)BC段發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：Fe3O4＋CO3FeO＋CO2；

(2)到700 ℃時(shí)只剩下鐵，即此時(shí)氧化鐵被一氧化碳還原為鐵單質(zhì)，

混合物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝×100%＝72.16%；

四氧化三鐵鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝×100%＝72.4%；

氧化亞鐵鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝×100%≈77.8%；

氧化鐵鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝×100%＝70%，

所以該四氧化三鐵樣品中含有的雜質(zhì)是氧化鐵；

設(shè)混合物中含四氧化三鐵的質(zhì)量為x，則x××100%＋(23.28 g－x)××100%＝16.80g，x＝20.88g。