Question

15．納米四氧化三鐵因在磁記錄、微波吸收材料等領域有潛在的應用而得到廣泛的研究．一種利用廢鐵屑（含少量鐵銹-Fe₂O₃）制備納米Fe₃O₄的流程如下：
廢鐵屑$\stackrel{稀HCl}{→}$ $→_{適量試劑X}^{調節pH=1-2}$溶液A（Fe²⁺，Fe³⁺）$→_{△}^{NaOH（aq）}$…→納米Fe₃O₄
用如圖1裝置制備溶液A，其實驗步驟為：
Ⅰ．打開k₁，關閉k₂，并打開k₃，緩慢滴加鹽酸；
Ⅱ．當容器C中不再產生氣泡時，關閉k₃，對裝置E進行讀數操作；
Ⅲ．關閉k₁，打開k₂、k₃，使C容器中的溶液完全進入燒杯；
Ⅳ．往燒杯中加入適量試劑X，得到溶液A．
請回答：
（1）廢鐵屑中加稀鹽酸的反應除Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑和Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O外，還可能發生的化學反應的離子方程式為Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺．
（2）要粗略測定廢鐵屑中鐵的質量分數，可通過裝置E測出C容器中生成氣體的體積．

①下列相關敘述錯誤的是ab（填序號）．
a．用CCl₄代替E中的水，測得氣體的體積更準確
b．量氣管壓入水準管的水過多而溢出，會導致測定失敗
c．必須待裝置恢復到室溫且量氣管與水準管兩端液面相平才可進行讀數②將裝置D改為如圖2裝置，其優點
是平衡氣壓使分液漏斗中的鹽酸能順利流下；且避免液體體積占位影響氣體體積測定．
（3）制備溶液A，試劑X可以選擇ac（填序號）．
a．H₂O₂     b．SO₂     c．Cl₂     d．鐵粉
（4）由溶液A制備納米Fe₃O₄理論上需控制Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-的物質的量之比為1：2：8，制備過程中須持續通入N₂的原因是在 N₂氣流下，防止Fe²⁺被氧化．
（5）Fe₃O₄樣品中Fe（Ⅲ）的質量分數可用碘量法測定：稱取m g Fe₃O₄樣品，溶于稀鹽酸，配制成100mL溶液；取出10.00mL，加入稍過量的KI溶液，充分反應后，滴入幾滴淀粉溶液，并用cmol•L^-1 Na₂S₂O₃溶液滴定，消耗Na₂S₂O₃溶液VmL（已知：I₂+2S₂O₃^2-=I^-+S₄O₆^2-）．
①滴定終點的現象是溶液由藍色變無色，且半分鐘不變色．
②樣品中Fe（Ⅲ）的質量分數$\frac{56cV}{m}%$ ．

Answer 1

分析 鐵屑用稀鹽酸溶解得到氯化亞鐵溶液，調節溶液pH并加熱試劑X，將部分氧化為Fe²⁺氧化成Fe³⁺，可以是過氧化氫或氯水等，再加入NaOH溶液，加熱得到納米Fe₃O₄．
（1）鐵過量會和鐵離子發生氧化還原反應；
（2）①a．氫氣不溶于水、四氯化碳，但CCl₄易揮發；
b．量氣管壓與水準管液面等高，即可測定氫氣體積；
c．讀數是保證裝置內壓強與外界大氣壓相等，氣體受熱溫度體積會增大，冷卻后體積會減小；
②圖2中分液漏斗連接橡膠管可以平衡壓強使液體順利流下；
（3）制備溶液A，試劑X是將部分氧化為Fe²⁺氧化成Fe³⁺，需要選擇具有強氧化性的物質；
（4）Fe²⁺、Fe³⁺在堿性、加熱條件下反應得到Fe₃O₄，還有水生成；制備中防止亞鐵離子被氧氣氧化；
（5）①鐵離子將碘離子氧化為碘單質，加入淀粉溶液呈藍色，滴定終點時藍色褪去；
②根據關系式：Fe₃O₄～2Fe³⁺～I₂～2S₂O₃^2-計算．

解答 解：鐵屑用稀鹽酸溶解得到氯化亞鐵溶液，調節溶液pH并加熱試劑X，將部分氧化為Fe²⁺氧化成Fe³⁺，可以是過氧化氫或氯水等，再加入NaOH溶液，加熱得到納米Fe₃O₄．
（1）鐵過量會和鐵離子發生氧化還原反應，反應的離子方程式為：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，
故答案為：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺；
（2）①a．氫氣不溶于水、四氯化碳，不影響沉淀氫氣體積，且CCl₄易揮發，污染空氣，故a錯誤；
b．量氣管壓入水準管的水過多而溢出，但量氣管壓與水準管液面等高，即可測定氫氣體積，不會導致實驗失敗，故b錯誤；
c．讀數是保證裝置內壓強與外界大氣壓相等，氣體受熱溫度體積會增大，冷卻后體積會減小，應恢復室溫，故c正確，
故答案為：ab；
②將裝置D改為如圖2裝置，橡膠管的作用是：平衡氣壓使分液漏斗中的鹽酸能順利流下；且避免液體體積占位影響氣體體積測定
故答案為：平衡氣壓使分液漏斗中的鹽酸能順利流下；且避免液體體積占位影響氣體體積測定；
（3）制備溶液A，試劑X是將部分氧化為Fe²⁺氧化成Fe³⁺，需要選擇具有強氧化性的物質，可以是氯氣、過氧化氫，鐵離子可以氧化二氧化硫，
故答案為：ac；
（4）Fe²⁺、Fe³⁺在堿性、加熱條件下反應得到Fe₃O₄，還有水生成，反應離子方程式為：Fe²⁺+2Fe³⁺+8OH^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂O，控制Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-的物質的量之比為：1：2：8，制備過程中須持續通入N₂的原因是在 N₂氣流下，防止Fe²⁺被氧化，
故答案為：1：2：8；在 N₂氣流下，防止Fe²⁺被氧化；
（5）①鐵離子將碘離子氧化為碘單質，加入淀粉溶液呈藍色，用Na₂S₂O₃溶液滴定滴定碘單質，滴定終點的現象是：溶液藍色褪去，且半分鐘不變色，
故答案為：溶液由藍色變無色，且半分鐘不變色；
②設樣品中鐵（Ⅲ）的物質的量為a，則：
Fe₃O₄～2Fe³⁺～I₂～2S₂O₃^2-
             2              2mol
             a         V×10^-3L×cmol•L^-1
a=cV×10-3mol，
樣品中Fe（Ⅲ）的質量分數=$\frac{cV×1{0}^{-3}mol×\frac{100}{10}×56g/mol}{mg}$×100%=$\frac{56cV}{m}%$
故答案為：$\frac{56cV}{m}%$．

點評 本題考查物質制備實驗與定量測定實驗，關鍵是對原理的理解，掌握氣體體積測量方法與滴定中關系式計算，熟練掌握元素化合物性質，題目培養了學生分析能力、知識遷移運用能力，題目難度中等．