Question

7．某研究性學習小組對過量炭粉與氧化鐵反應的氣體產物成分進行研究．
（1）提出假設  ①該反應的氣體產物是CO₂．
②該反應的氣體產物是CO．
③該反應的氣體產物是CO₂、CO的混合物．
（2）設計方案  如圖所示，將一定量的氧化鐵在隔絕空氣的條件下與過量炭粉完全反應，測定參加反應的碳元素與氧元素的質量比．
（3）查閱資料
氮氣不與碳、氧化鐵發生反應．實驗室可以用氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉（NaNO₂）
飽和溶液混合加熱反應制得氮氣．
請寫出該反應的離子方程式：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O．
（4）實驗步驟
①按上圖連接裝置，并檢查裝置的氣密性，稱取3.20g氧化鐵、2.00g碳粉混合均勻，放入48.48g的硬質玻璃管中；
②加熱前，先通一段時間純凈干燥的氮氣；
③停止通入N₂后，夾緊彈簧夾，加熱一段時間，澄清石灰水（足量）變渾濁；
④待反應結束，再緩緩通入一段時間的氮氣．冷卻至室溫，稱得硬質玻璃管和固體總質量為52.24g；
⑤過濾出石灰水中的沉淀，洗滌、烘干后稱得質量為2.00g．
步驟②、④中都分別通入N₂，其作用分別為步驟②中是為了排盡空氣；步驟④是為了趕出所有的CO₂，確保完全吸收．
（5）數據處理
試根據實驗數據分析，寫出該實驗中氧化鐵與碳發生反應的化學方程式：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑．
（6）實驗優化  學習小組有同學認為應對實驗裝置進一步完善．
①甲同學認為：應將澄清石灰水換成Ba（OH）₂溶液，其理由是Ba（OH）₂溶解度大，濃度大，使CO₂被吸收的更完全；M（BaCO₃）＞M（CaCO₃），稱量時相對誤差小．
②從環境保護的角度，請你再提出一個優化方案將此實驗裝置進一步完善：在尾氣出口處加一點燃的酒精燈或增加一尾氣處理裝置．

Answer 1

分析 （1）根據過量炭粉與氧化鐵反應的氣體產物可能有①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物得出假設③；
（3）氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉（NaNO2）飽和溶液混合加熱反應可以制得氮氣；
（4）⑤根據前后兩次通入氮氣的時間和減小實驗誤差角度來分析；
（5）根據質量守恒判斷氣體的組成，根據質量關系計算氣體的物質的量之間的關系，進而書寫化學方程式；
（6）①根據氫氧化鈣和氫氧化鋇的本質區別進行分析；
②一氧化碳是一種有毒氣體，可以通過點燃來進行尾氣處理．

解答 解：（1）過量炭粉與氧化鐵反應的氣體產物可能有：①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物，則假設③為：CO₂、CO的混合物，
故答案為：CO₂、CO的混合物；
（3）氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉（NaNO₂）飽和溶液混合加熱反應制得氮氣，反應物有NH₄Cl和NaNO₂，生成物為N₂，根據質量守恒還應用水，則反應的化學方程式為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O，
故答案為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O；
（4）如果不排盡空氣，那么空氣中的氧氣會與炭粉反應影響反應后生成氣體的組成，所以利用穩定的氮氣排空氣，最后確保完全吸收，反應后還要趕出所有的CO₂，
故答案為：步驟②中是為了排盡空氣；步驟④是為了趕出所有的CO₂，確保完全吸收；
（5）3.20g氧化鐵的物質的量為=$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，澄清石灰水變渾濁，說明有CO₂氣體生成，
則n（CO₂）=n（CaCO₃）=$\frac{2.0g}{100g/mol}$=0.02mol，m（CO₂）=0.02mol×44g/mol=0.88g，
反應后硬質玻璃管和固體總質量變化為1.44g大于0.88g，則生成其氣體為CO₂、CO的混合物，混合氣體中含有CO0.08mol，所以CO、CO₂的混合氣體物質的量比為4：1，所以方程式為：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑，
故答案為：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑；
（6）①Ba（OH）₂溶解度大，濃度大，使CO₂被吸收的更完全；M （BaCO₃）＞M（CaCO₃），稱量時相對誤差小，
故答案為：Ba（OH）₂溶解度大，濃度大，使CO₂被吸收的更完全；M （BaCO₃）＞M（CaCO₃），稱量時相對誤差小；
②一氧化碳是一種有毒氣體，可以通過點燃進行尾氣處理，
故答案為：在尾氣出口處加一點燃的酒精燈或增加一尾氣處理裝置．

點評 本題主要考查的是物質組成與含量的測定、性質實驗方案的設計，題目難度中等，涉及離子反應方程式、化學方程式書寫、環境保護、實驗方案的設計與評價等知識，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查學生的分析能力及化學實驗、化學計算能力．