Question

13．鋼鐵是最重要、用量最大的金屬材料之一．完成下列計算：
（1）生產1噸含鐵96%的生鐵，至少需要氧化鐵含量70%的赤鐵礦（雜質不含鐵）1.96噸．（計算結果保留2位小數）
（2）工業煉鐵用一氧化碳還原氧化鐵時會發生如下一系列反應：
3Fe₂O₃+CO→2Fe₃O₄+CO₂ Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂ FeO+CO→Fe+CO₂
某次實驗中，用CO還原4.80g氧化鐵，當固體質量變成4.56g時，測得此固體中只存在2種氧化物．通過計算確定此固體可能的成分和它們的物質的量之比．
（3）為了測定某碳素鋼（假設只含鐵和碳）的含碳量，將10.000g鋼樣完全溶解于過量的熱濃硝酸中，產生了0.300mol氣體（假設氣體全部逸出，N₂O₄已折算為NO₂）．氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液完全吸收后，只生成兩種鹽，溶液蒸干后得到不含結晶水的固體32.664g．計算：
（1）鋼樣的含碳量．
（2）參加反應的硝酸的物質的量．

Answer 1

分析 （1）工業冶煉生鐵的原理反應為Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；根據反應中生成鐵的質量，可計算參加反應的氧化鐵的質量；
（2）4.80g氧化鐵的物質的量為：$\frac{4.80g}{160g/mol}$=0.03mol，4.80g氧化鐵，當固體質量變成4.56g時，減少氧的物質的量為$\frac{4.80g-4.56g}{16g/mol}$=0.015，所以所得氧化物中氧的物質的量為：0.03×3-0.015=0.075mol，鐵與氧的物質的量之比為：0.03×2：0.075=1：1.25，而Fe₃O₄中鐵與氧的物質的量之比為：1：1.33，在FeO中鐵與氧的物質的量之比為：1：1，在Fe₂O₃中鐵與氧的物質的量之比為：1：1.5，所以固體混合物可能是Fe₂O₃和FeO和Fe₃O₄和FeO，然后求各自的物質的量；
（3）（1）若鐵與濃硝酸反應生成的完全為二氧化氮，根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，當C為0時生成氣體的量最少，則10g鐵完全反應生成二氧化氮的物質的量為：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以鐵與硝酸反應生成的氣體為NO、NO₂的混合物；再根據氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氫氧化鈉遠遠過量）完全吸收后，只生成兩種鹽可知，生成的鹽為碳酸鈉和亞硝酸鈉，說明生成的NO、NO₂的物質的量相等，設NO、NO₂的物質的量都為x，該碳素鋼中含有C為y，根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC與濃硝酸反應生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，鐵與濃硝酸反應生成的二氧化氮為：x-4y，根據反應Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，該鋼中含有鐵的物質的量為：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根據該鋼的質量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，再根據氣體的總物質的量可得：②y+2x=0.3，聯立①②計算出x、y，再計算出該鋼樣的含碳量；
（2）根據（1）計算結果及反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O計算出反應中消耗硝酸的總物質的量．

解答 解：（1）設需要赤鐵礦的質量為x
Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ 2Fe+3CO₂
160            112
x×70%        1t×96%
$\frac{160}{x×70%}=\frac{112}{1t×96%}$，解之得：x=1.96t
答：至少需要70%的赤鐵礦1.96；Fe₂O₃和FeO  1：2；
（2）4.80g氧化鐵的物質的量為：$\frac{4.80g}{160g/mol}$=0.03mol，4.80g氧化鐵，當固體質量變成4.56g時，減少氧的物質的量為$\frac{4.80g-4.56g}{16g/mol}$=0.015，所以所得氧化物中氧的物質的量為：0.03×3-0.015=0.075mol，鐵與氧的物質的量之比為：0.03×2：0.075=1：1.25，而Fe₃O₄中鐵與氧的物質的量之比為：1：1.33，在FeO中鐵與氧的物質的量之比為：1：1，在Fe₂O₃中鐵與氧的物質的量之比為：1：1.5，所以固體混合物可能是Fe₂O₃和FeO和Fe₃O₄和FeO，如果是Fe₂O₃和FeO的混合物，設兩者的物質的量分別為：xmol，ymol，則$\frac{1.5x+y}{x+y}=1.25$，解之得$\frac{x}{y}=\frac{1}{2}$；如果是Fe₃O₄和FeO的混合物，解得兩的物質的量之比為：1：1，答：Fe₂O₃和FeO的混合物，兩者之比為1：2；或者Fe₃O₄和FeO的混合物，兩的物質的量之比為：1：1；
（3）（1）若鐵與濃硝酸反應生成的完全為二氧化氮，根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，當C為0時生成氣體的量最少，則10g鐵完全反應生成二氧化氮的物質的量為：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以鐵與硝酸反應生成的氣體為NO、NO₂的混合物；再根據氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氫氧化鈉遠遠過量）完全吸收后，只生成兩種鹽可知，生成的鹽為碳酸鈉和亞硝酸鈉，說明生成的NO、NO₂的物質的量相等，設NO、NO₂的物質的量都為x，該碳素鋼中含有C為y，
根據反應C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC與濃硝酸反應生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，
鐵與濃硝酸反應生成的二氧化氮為：x-4y，根據反應Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，該鋼中含有鐵的物質的量為：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根據該鋼的質量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，再根據氣體的總物質的量可得：②y+2x=0.3，聯立①②解得：x=0.144mol、y=0.012mol，
即：該鋼中含有0.012molC，其含碳量為：$\frac{12g/mol×0.012mol}{10.00g}$×100%=1.44%，
答：該鋼樣的含碳量為1.44%；
（2）0.012molC消耗硝酸的物質的量為：0.012mol×4=0.048mol，
生成0.144molNO消耗硝酸的物質的量為：0.144mol×4=0.576mol，
鐵與濃硝酸反應生成二氧化氮的物質的量為：0.144mol-0.012mol×4=0.096mol，反應生成0.096mol二氧化氮消耗硝酸的物質的量為：0.096mol×$\frac{6}{3}$=0.192mol，
所以反應中消耗硝酸的總物質的量為：0.048mol+0.576mol+0.192mol=0.816mol，
答：參加反應的硝酸的物質的量為0.816mol．

點評 本題考查使用化學方程式進行計算和混合物反應的計算，題目難度較大，學生注意代入化學方程式的量一定是純凈物的質量，不能把混合物的質量直接代入化學方程式進行計算，下面兩個題目根據生成氣體的量及生成兩種鹽判斷反應氣體組成及生成固體的組成為解答關鍵，注意明確一氧化氮、二氧化氮與氫氧化鈉溶液的反應原理，試題側重考查學生的分析、理解能力．