Question

5．鐵礦石冶煉成鐵是一個復雜的過程，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方程式為3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．某化學興趣小組同學在學習煉鐵的相關內容時，對煉鐵時還原劑的選擇進行了如下探究．
【提出問題】單質碳也具有還原性，生成的產物與一氧化碳還原氧化鐵相同．碳還原氧化鐵的化學方程式為3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑．
為什么工業上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？
【猜想與假設】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應不易完全．
【進行實驗】實驗步驟及注意事項如下：
①稱取兩份相同質量的氧化鐵粉末．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兩組實驗同時進行．在裝置B的反應中，實驗開始前應先通CO（選填“通CO”或“加熱”）；實驗結束后應繼續通入CO直至冷卻至室溫，其原因是防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化．
【實驗現象】當裝置B的玻璃管中固體完全由紅色變為黑色（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．
【解釋與結論】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應確實不易完全，這可能是工業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】經過查閱資料和討論，該小組同學發現除了上述原因外，工業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．
【完善實驗】聯想到單質碳的一些化學性質，甲同學認為在碳還原氧化鐵的反應中可能還會有CO產生．經檢驗證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有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反應式；
【提出問題】熟記碳還原氧化鐵的化學反應式；
【進行實驗】②根據可燃性氣體與空氣混合加熱時有爆炸的危險考慮；
【實驗現象】根據氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色分析判斷現象；
【交流與反思】根據實驗完成后還要考慮分離出所要得到的物質考慮；
【完善實驗】根據澄清石灰水可以檢驗二氧化碳、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氣體考慮；

解答 解：一氧化碳與氧化鐵在高溫下反應生成鐵和二氧化碳，反應的化學方程式為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
[提出問題]碳與氧化鐵在高溫的條件下反應生成鐵和二氧化碳，反應的化學方程式為：3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
[進行實驗]為防止一氧化碳與空氣混合加熱時，引起爆炸，在實驗前要先通入CO；防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化，實驗結束后，應繼續通入CO直至冷卻至室溫．
[實驗現象]因氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色，B中的氧化鐵被完全還原后，由紅色變成黑色．此時由于A中的氧化鐵還沒有被完全還原，仍有紅色物質；
[交流與反思]工業上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石還有一些其它原因，如焦炭是固體，不容易和生成的鐵分離；或焦炭中含有雜質，影響鐵的純度；或焦炭與氧氣反應生成一氧化碳的同時放出大量的熱，可提供一氧化碳還原鐵礦石所需的高溫，節約能源等；
[完善實驗]為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以檢驗二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳氣體，所以先用C檢驗二氧化碳的存在，為防止二氧化碳影響實驗的結論，再用D中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，再次連接C檢查二氧化碳是否被完全吸收；然后將氣體通過E，并再次連接C，如果氧化銅由黑色變成紅色，C中的澄清石灰水變渾濁，說明有一氧化碳氣體．因有一氧化碳存在，要進行尾氣處理，而圖中缺少此裝置．
故答案為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
[提出問題]3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
[進行實驗]通CO；防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化；
[實驗現象]紅色變為黑色；紅色物質；
[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，影響鐵的純度；或焦炭與氧氣反應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，節約能源）；
[完善實驗]缺少尾氣處理裝置；

點評 本題以實驗探究的形式考查化學反應式的書寫、實驗中的注意事項、以及不用碳還原氧化鐵的原因，還有相關的拓展實驗，可謂考查詳盡，即考查了知識，又培養了學生的細心、耐心分析解決問題的能力．