Question

已知木炭粉和Fe₂O₃ 反應的化學方程式為：2Fe₂O₃+3C4Fe+3CO₂↑或者為：Fe₂O₃+3C2Fe+3CO↑
某同學設計一個實驗，假定恰好完全反應，測定此反應中的氣體生成物，實驗裝置如圖．
（1）實驗中通入的氣體是純凈干燥的N₂，寫出不用空氣的主要理由    ，實驗也不能用潮濕的氮氣，原因是    ．
（2）如用氧化鐵與木炭粉的混合物3.8g反應，充分反應后測得固體質量減輕1.56g，則生成的氣體為    ．
（3）燒杯內適量澄清石灰水的現象為    ，若氧化鐵的質量與本次實驗相同，要使澄清石灰水的現象也與本次實驗相同，則固體混合物總質量（m）的取值范圍應該是    ．
（4）合成氨工業生產中所用的α-Fe催化劑的主要成分是FeO、Fe₂O₃．
①當催化劑中FeO與Fe₂O₃的質量之比為9：20時，其催化活性最高，此時鐵的氧化物混合物中鐵的質量分數為    ．
②以Fe₂O₃為原料制備上述催化劑，可向其中加入適量碳，發生如下反應：2Fe₂O₃+C4FeO十CO₂↑，為制得這種活性最高的催化劑，應向480g Fe₂O₃粉末中加入碳多少克？    ．

Answer 1

【答案】分析：（1）從空氣和潮濕的氮氣引入的雜質分析，從而產生對實驗的影響；
（2）利用假設法：①若減少的質量1.56g完全轉化成二氧化碳，計算出分別需要氧化鐵和碳的質量，并與3.8g對照是否符合；②若減少的質量1.56g完全轉化成一氧化碳，計算出分別需要氧化鐵和碳的質量，并與3.8g對照是否符合，得出結論；
（3）根據生成的氣體是一氧化碳還是二氧化碳確定石灰水是否變渾濁；若不產生二氧化碳，則固體混合物的質量應大于保證生成一氧化碳的最低值，應小于生成二氧化碳的最低值；
（4）①根據該混合物中FeO與Fe₂O₃的質量比，由兩氧化物中鐵元素的質量分數，可求得混合物與所含鐵的質量關系，即可得此時鐵的氧化物混合物中鐵的質量分數；
②分析題意可知當催化劑中FeO與Fe₂O₃的質量之比為9：20時，其催化活性最高，所以可根據反應結束后生成的FeO的質量和剩余Fe₂O₃的質量之比為9：20建立等式．
所以解題思路就是設出木炭的質量，根據化學方程式求出生成的FeO的質量和剩余的Fe₂O₃質量即可解答．
解答：解：（1）①因為空氣中含有二氧化碳和水，將使測定的結果不準確，故不能用空氣代替干燥的氮氣；②因為潮濕的氮氣中含有水分，也將使得測定的結果不準確，故不能用潮濕的氮氣代替干燥的氮氣；
（2）①若減少的質量1.56g完全轉化成二氧化碳，設需要氧化鐵的質量為x，需要碳的質量為y
2Fe₂O₃+3C4Fe+3CO₂↑
320    36            132
x      y             1.56g

=   x=3.78g
=    y=0.42g
∵3.78g+0.42g=4.2g＞3.8g∴該氣體不是二氧化碳；
②若減少的質量1.56g完全轉化成一氧化碳，設需要氧化鐵的質量為x，需要碳的質量為y
Fe₂O₃+3C2Fe+3CO↑
160    36         84
x       y         1.56g

=  x=2.97g
=   y=0.66g

∵2.97g+0.66g=3.63g＜3.8g，，成立，故生成的氣體是一氧化碳；
（3）①因為產生的氣體是一氧化碳，故不能使石灰水變渾濁；
②若不產生二氧化碳，則固體混合物的質量最低值是二者恰好反應，保證產生一氧化碳，是3.63g；
固體混合物的質量最高值是小于二者恰好完全反應產生二氧化碳的最少量，是4.2g，
故固體混合物的取值范圍是大于3.63g而小于4.2g；
（4）①假設此時混合物中FeO的質量為9m，則Fe₂O₃的質量為20m，混合物的質量為29m
混合物中鐵的質量分數=9m××100%+20m××100% 29m=72%
②設反應生成FeO的質量為x，消耗Fe₂O₃的質量為y，需要加入碳的質量為z
2Fe₂O₃+C 4FeO+CO2↑
320    12      288
y       z       x
=    y=   
=      z=     
則活性最高的催化劑中FeO與Fe₂O₃的質量之比=x：（480g-）=9：20，解得x=144g
應加入碳的質量==6g
答：（1）此時鐵的氧化物混合物中鐵的質量分數為72%；
（2）為制得這種活性最高的催化劑，應向480gFe2O3粉末中加入碳6g．
故答案為：（1）空氣中含有二氧化碳和水，將使測定的結果不準確；潮濕的氮氣中含有水分，也將使得測定的結果不準確；
（2）CO；（3）澄清石灰水無變化； 大于3.63g而小于4.2g   （4）①72%   6g．
點評：本題難度較大，主要考查學生根據定量法計算氣體的成分和根據化學方程式進行計算的能力，對于本題主要是要分析題意，找出建立等式的依據即可解答．