Question

8．水蒸氣通過熾熱的焦炭可以得到水煤氣（主要成分是CO和H₂），化學方程式為C+H₂O（氣）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂，該反應是置換反應（填基本反應類型）．某興趣小組的同學在實驗室模擬了水煤氣的制備，并設計實驗驗證水煤氣中含有CO和H₂．
【查閱資料】白色的無水硫酸銅遇水會變成藍色．
【設計實驗】甲同學設計的實驗裝置如圖所示：

寫出實驗現象：B中固體變紅，C中固體變藍，D中溶液變渾濁．
【改進實驗】乙同學認為要想達到實驗目的，在裝置A、B之間還需增加裝置F、G，其中F的作用是除去水蒸氣，G的作用是檢驗水蒸氣是否已被全部除去．
【拓展探究】CO和H₂的混合氣在工業上可用于合成一系列化工原料和新型燃料，還可用于冶煉某些金屬．
（1）“綠色化學”能實現零排放（即反應物中的原子利用率達到100%）．根據零排放的要求，不可能以CO和H₂為原料合成的有機物是B（填字母）．
A．甲醇（CH₃OH）   B．乙醇（C₂H₅OH）   C．甲醛（CH₂O）   D．乙酸（CH₃COOH）
（2）若用CO和H₂的混合氣冶煉鐵，混合氣所起的作用是將鐵從鐵礦石中還原出來（或“作還原劑”）．
鐵元素可以形成3種氧化物，分別是Fe₂O₃、Fe₃O₄ 和FeO（黑色）．如圖所示實驗中，黑色粉末可能為一種或幾種鐵的氧化物，充分反應至鐵的氧化物全部轉化為鐵，裝置I的增重為3.6g，裝置J的增重為6.6g，假設每一步吸收都是完全的，黑色粉末為Fe₃O₄和FeO的混合物．

Answer 1

分析 根據反應的特點來分析；
【設計實驗】根據氫氣和一氧化碳具有還原性、二氧化碳能使澄清的石灰水變渾濁來分析；
【實驗改進】根據反應物水蒸氣是否完全參加反應來分析；
【拓展探究】根據質量守恒定律和化合反應的定義和特點判斷，主要是利用反應前后原子的種類不變，其數目比保持不變分析判斷．
根據CO和H₂具有還原性分析在冶煉鐵的生產過程中所起的作用；
根據粉末的顏色以及化合物中氧元素的質量分數來分析．

解答 解：反應物一種單質、一種是化合物，生成物一種是單質、一種是化合物，符合置換反應的概念．故答案為：置換；
【設計實驗】當水蒸氣通過裝置A后，得到了氫氣和一氧化碳，兩種氣體均具有還原性，在加熱的條件下能將氧化銅還原為金屬銅，故觀察到黑色固體慢慢變成紅色；一氧化碳與氧化銅反應生成了二氧化碳，二氧化碳與氫氧化鈣溶液反應生成碳酸鈣白色沉淀和水，所以觀察到澄清的石灰水變渾濁；故填：變紅；變渾濁；
【改進實驗】一氧化碳與碳可能沒有完全反應而有剩余，對后面的實驗起到了干擾的作用，所以在裝置A、B之間還需增加裝置F、G，其中F的作用是除去水蒸氣，G的作用是檢驗水蒸氣是否已被全部除去；故填：除去水蒸氣；檢驗水蒸氣是否已被全部除去；
【拓展探究】（1）：“綠色化學”能實現零排放，即反應物中的原子利用率達到100%，也就是說反應類型一般是化合反應，且反應后產物中的各原子數目比不變，CO和H₂在一定條件下按照不同的比例反應，可假定反應時的化學計量數之比為m：n，則只要各選項中的化學式能化為形式（CO）_m（H₂）_n，都是正確的．
A、甲醇（CH₄O）可變為（CO）₁（H₂）₂，所以正確．
B、乙醇（C₂H₆O）不能化為形式（CO）_m（H₂）_n，所以錯誤．
C、甲醛（CH₂O）可變為（CO）₁（H₂）₁，所以正確．
D、乙酸（C₂H₄O₂）可變為（CO）₂（H₂）₂，所以正確．
故選B．
（2）合成氣（CO和H₂）具有還原性，在冶煉鐵的生產過程中所起的作用是將鐵從礦石中還原出來．故填：將鐵從鐵礦石中還原出來（或“作還原劑”）；
因為該混合物是黑色粉末，所以其中不含氧化鐵，裝置I的增重為3.6g，即氫氣還原氧化銅生成水的質量為3.6g，其中的氧元素完全來自鐵的氧化物，氧元素的質量為：3.6g×$\frac{16}{18}×100%$=3.2g；裝置J的增重為6.6g，增重的質量為一氧化碳還原金屬氧化物生成的二氧化碳的質量，由于CO--CO₂--O，那么來自于鐵的氧化物的氧元素的質量為：6.6g×$\frac{16}{44}×100%$=2.4g．該黑色粉末中，氧元素的質量分數為：$\frac{3.2g+2.4g}{22.4g}×100%$=25%；四氧化三鐵中，氧元素的質量分數為：$\frac{64}{232}×100%$≈27.6%，氧化亞鐵中，氧元素的質量分數為$\frac{16}{72}×100%$≈22.2%．因為22.2%＜25%＜27.6%，所以該黑色粉末是四氧化三鐵與氧化亞鐵的混合物，故填：Fe₃O₄ 和FeO的混合物．

點評 本題主要考查了實驗設計的問題，有關實驗方案的設計和對實驗方案的評價是中考的熱點之一，解答計算時要據物質的性質和方程式細心分析解答．