Question

2．早在春秋戰國時期，我國就開始生產和使用鐵器．工業煉鐵把鐵礦石和焦炭、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\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．其中，石灰石起的作用是將礦石中的二氧化硅等雜質轉變為爐渣而除去的．
（一）甲組同學在學習煉鐵的相關內容時，對煉鐵時還原劑的選擇進行了如下探究．
【提出問題】
單質碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學方程式為3C+2Fe₂O₃$\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】
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圖1裝置A的試管中；另一份放入圖1裝置B的玻璃管中．

②圖1裝置A和B兩組實驗同時開始進行．在圖1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】
當圖1裝置B的玻璃管中固體完全由紅色變為黑色時（選填“紅色變為黑色”或“黑色變為紅色”），圖1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．
【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．為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，將該氣體通過圖2的檢驗裝置．圖2A裝置中的試劑是（寫名稱，下同）澄清的石灰水，圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H2O ）；證明原混合氣體中CO₂存在的化學方程式Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；證明原混合氣體中CO存在的實驗現象是黑色粉末變成紅色；經過檢驗，證實碳還原氧化鐵所得的氣體中確實含有CO和CO₂．
（二）精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進行下列研究：
【物質制備】
利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下：

粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe₃C雜質，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應方程式為Fe_xO_y+yH₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$xFe+yH₂O，Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+CH₄．
【含量測定】

為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質量分數，按圖裝置進行實驗．
已知3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe（假設每步反應都完全，且不考慮裝置內原有空氣對測定結果的影響）．
（1）主要實驗步驟如下：
①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，稱量樣品和必要裝置的質量；
②緩緩通入純凈干燥的H₂；
③點燃酒精燈，先點A處，后點C處（填“先點A處，后點C處”或“先點C處，后點A處”）；
④分別熄滅A處、C處酒精燈；
⑤再緩緩通入少量H₂；
⑥再次稱量必要裝置的質量
（2）步驟②的目的是除去裝置內的氧氣，防止發生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；
（3）若缺少裝置D，則所測氧元素的質量分數將不變（填“偏大”，“偏小”或“不變”）．
（4）粗還原鐵粉樣品的質量為15.000g，裝置B、E分別增重0.270g和0.330g，則計算樣品出中碳、氧元素的質量分數分別是0.6%，1.6%．（列出計算過程）

Answer 1

分析 根據一氧化碳和氧化鐵在高溫的條件下生成鐵和二氧化碳，在煉鐵中石灰石起作用是將礦石中的二氧化硅等雜質轉變為爐渣而除去進行分析；
【提出問題】根據碳和氧化鐵在給高溫的條件下生成鐵和二氧化碳進行分析；
【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；
【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；
（2）根據裝置A在加熱時發生反應，生成的水與甲烷通過裝置B處理后進入裝置C，進入該裝置的氣體在加熱條件下發生反應進行分析；
（2）根據步驟③的目的是 除去裝置內的氧氣，防止發生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音進行分析；
（3）根據若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）進行分析；
（4）根據裝置B中濃硫酸吸收氫氣與粗還原鐵粉反應生成的水，由該裝置增重為反應生成水的質量可求得粗還原鐵粉中氧元素質量；裝置E中堿石灰吸收甲烷與氧化鐵反應產生的二氧化碳，由該裝置增重為反應生成二氧化碳的質量可計算出粗還原鐵粉中所含碳元素質量進行分析．

解答 解：一氧化碳和氧化鐵在高溫的條件下生成鐵和二氧化碳，化學方程式為：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂ ，在煉鐵中石灰石起作用是將礦石中的二氧化硅等雜質轉變為爐渣而除去；
【提出問題】碳與氧化鐵在高溫的條件下反應生成鐵和二氧化碳，化學方程式為：3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
【進行實驗】為防止一氧化碳與空氣混合加熱時，引起爆炸，在實驗前要先通入CO；防止高溫下鐵又被進入的空氣氧化，實驗結束后，應繼續通入CO直至冷卻至室溫；
【實驗現象】因氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色，B中的氧化鐵被完全還原后，由紅色變成黑色．此時由于A中的氧化鐵還沒有被完全還原，仍有紅色物質；
【完善實驗】為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以檢驗二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳氣體，所以先用圖2中的A檢驗二氧化碳的存在，氫氧化鈣和二氧化碳反應生成碳酸鈣沉淀和水，化學方程式為：Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O，為防止二氧化碳影響實驗的結論，再用圖2中的B中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，連接圖2中的C，如果氧化銅由黑色變成紅色，圖2D中的澄清石灰水變渾濁，說明有一氧化碳氣體；
（1）根據題目中的假設情況，為使裝置A反應產生的甲烷氣體全部在裝置C中發生反應，操作時應先將C處酒精燈點燃，然后再點燃A處酒精處；
（2）步驟③的目的是 除去裝置內的氧氣，防止發生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；有剩余則沒有完全被除掉；
（3）若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）；
（4）裝置B增重0.27g，則說明粗還原鐵粉與氫氣反應生成水的質量為0.360g，因此生成水中氧元素質量=0.27g×$\frac{16}{18}$×100%=0.24g；
樣品中氧元素的質量分數=$\frac{0.24g}{20g}$×100%=1.2%
裝置E增重0.440g，則甲烷與氧化鐵反應生成二氧化碳的質量為0.440g，生成二氧化碳中碳元素質量=0.33g×$\frac{12}{44}$×100%=0.09g
樣品中碳元素的質量分數=$\frac{0.09g}{20g}$×100%=0.45%
答：樣品中氧和碳元素的質量分數分別為1.2%、0.45%．
故答案為：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，將礦石中的二氧化硅等雜質轉變為爐渣而除去的；
【提出問題】3C+2Fe₂O₃$\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；
【完善實驗】澄清的石灰水；Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；黑色粉末變成紅色；
探究二（1）先點A處，后點C處； 
（2）除去裝置內的氧氣（或空氣），防止發生爆炸；收集尾氣點燃，聽聲音；
（3）不變；
（4）0.45%，1.2%．

點評 本題考查了常規性的冶煉鐵的原理及實驗的注意事項等，并在此基礎上通過對鐵冶煉原理的知識遷移，理解該題的實驗過程及目的，考查了知識的運用及實驗分析的能力．