Question

10．實驗室采用簡易裝置模擬演示工業煉鐵原理．實驗裝置圖和實驗步驟如下：

①按如圖連接好裝置，檢查裝置氣密性．
②稱取適量Fe₂O₃于石英試管中，點燃I處酒精燈，緩慢滴入甲酸．
③在完成某項操作后，點燃另外兩處酒精燈．
④30min后熄滅酒精燈，關閉彈簧夾．
⑤待產物冷卻至室溫后，收集產物．
⑥采用如上方法分別收集帶金屬網罩酒精燈（金屬網罩可以集中火焰、提高溫度）和酒精噴燈加熱的產物．請回答下列問題：
（1）制備CO的原理是利用甲酸（HCOOH）在濃硫酸加熱條件下分解，盛放甲酸的儀器名稱為分液漏斗，該反應的化學方程式為HCOOH $→_{△}^{濃硫酸}$CO↑+H₂O．
（2）實驗步驟③“某項操作”是指檢驗CO純度．
（3）實驗步驟④熄滅酒精燈的順序為Ⅲ、I、II．（用“I”、“Ⅱ”、“Ⅲ”表示）
（4）通過查資料獲取如下信息：
I．酒精燈平均溫度為600℃；加網罩酒精燈平均溫度為700℃，酒精噴燈平均溫度為930℃．
Ⅱ．資料指出當反應溫度高于710℃時，Fe能穩定存在，在680～710℃之間時，FeO能穩定存在，低于680℃，則主要是Fe₃O₄．試分析酒精燈加熱條件下生成Fe的原因：長時間集中加熱使局部溫度達到還原生成鐵所需要的溫度．
（5）已知FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄中氧元素的質量分數分別為：22.2%、30%、27.6%．
利用儀器分析測出3種樣品所含元素種類和各元素的質量分數如表：

加熱方式	產物元素組成	各元素的質量分數%
		Fe	O
酒精燈	Fe和O	74.50	25.50
帶網罩酒精燈	Fe和O	76.48	23.52
酒精噴燈	Fe	100.00	0.00

分析各元素的質量分數可知前兩種加熱方式得到的產物為混合物，其中酒精燈加熱所得產物的組成最多有9種可能．
（6）通過進一步的儀器分析測出前兩種加熱方式得到的固體粉末成分均為Fe₃O₄和Fe，用酒精噴燈加熱得到的固體粉末成分為Fe．請計算利用酒精燈加熱方式所得混合物中Fe₃O₄和Fe的質量比為12：1．（要求保留整數）．

Answer 1

分析 ①按如圖連接好裝置，檢查裝置氣密性．
②稱取適量Fe₂O₃于石英試管中，點燃I處酒精燈，緩慢滴入甲酸．
③在完成檢驗CO純度操作后，點燃另外兩處酒精燈．
④30min后熄滅酒精燈，關閉彈簧夾．
⑤待產物冷卻至室溫后，收集產物．
⑥采用如上方法分別收集帶金屬網罩酒精燈（金屬網罩可以集中火焰、提高溫度）和酒精噴燈加熱的產物．
（1）根據裝置圖可知甲酸盛放在分液漏斗中；HCOOH分解生成CO和水；
（2）CO與氧氣混合加熱易爆炸，所以點燃前要檢驗純度；
（3）實驗結束后要等試管冷卻后才停止通一氧化碳，故先熄滅Ⅲ出酒精燈；應最后熄滅II中酒精燈，目的是防止多余的一氧化碳進入空氣中污染環境；
（4）酒精燈的火焰平均600度，不可能達到鐵穩定存在的溫度，但是，在實際操作過程中，由于受熱及散熱的問題，會出現局部溫度較高的現象；
（5）Fe、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄中Fe元素的百分含量分別為100%、77.8%、70%、72.4%，結合表中的數據判斷物質的組成；
（6）根據酒精燈加熱得到的產物為Fe₃O₄和Fe，且鐵元素的百分含量為74.50%，設Fe₃O₄的質量為x，Fe的質量為y，則$\frac{x×\frac{168}{232}+y}{x+y}$×100%=74.50%，據此計算．

解答 解：（1）根據裝置圖可知甲酸盛放在分液漏斗中，則盛放甲酸的儀器名稱為分液漏斗；在濃硫酸加熱條件下，HCOOH分解可得CO，根據質量守恒可知另一個產物為水，反應的化學方程式為HCOOH $→_{△}^{濃硫酸}$CO↑+H₂O；
故答案為：分液漏斗；HCOOH $→_{△}^{濃硫酸}$CO↑+H₂O；
（2）CO與氧氣混合加熱易爆炸，所以點燃前要檢驗純度，則實驗步驟③某項操作是指檢驗CO純度；
故答案為：檢驗CO純度；
（3）實驗結束后要等試管冷卻后才停止通一氧化碳，故先熄滅Ⅲ出酒精燈，是為了防止生成熱的鐵被空氣中的氧氣氧化；應最后熄滅II中酒精燈，目的是防止多余的一氧化碳進入空氣中污染環境，故實驗步驟④熄滅酒精燈的順序為Ⅲ、I、II；
故答案為：Ⅲ、I、II；
（4）當反應溫度高于710℃，Fe能穩定存在，酒精燈的火焰平均600度，不可能達到鐵穩定存在的溫度，但是，在實際操作過程中，由于受熱及散熱的問題，長時間集中加熱會出現局部溫度較高的現象，達到還原生成鐵所需要的溫度，
故答案為：長時間集中加熱使局部溫度達到還原生成鐵所需要的溫度；
（5）Fe、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄中Fe元素的百分含量分別為100%、77.8%、70%、72.4%，酒精燈加熱所得產物中Fe元素的百分含量為74.50%，混合物中至少有一個Fe元素含量大于74.50%，至少有一個Fe元素含量小于74.50%，故混合物中一定有Fe和FeO中的至少一種，也一定有Fe₂O₃和Fe₃O₄中的一種，
兩種物質混合的有Fe和Fe₂O₃，Fe和Fe₃O₄，FeO和Fe₂O₃，FeO和Fe₃O₄ 共4種組合，
三種物質混合的有Fe、Fe₂O₃和Fe₃O₄，FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄，Fe₂O₃、Fe和FeO，Fe₃O₄、Fe和FeO共4種組合，
四種物質混合的有Fe、FeO、Fe₂O₃和e₃O₄只有1種，共9種組合；
故答案為：9；
（6）根據酒精燈加熱得到的產物為Fe₃O₄和Fe，且鐵元素的百分含量為74.50%，設Fe₃O₄的質量為x，Fe的質量為y，則$\frac{x×\frac{168}{232}+y}{x+y}$×100%=74.50%，
解得：$\frac{x}{y}$=12：1；
故答案為：12．

點評 本題考查物質的制備實驗、實驗方案設計、物質含量的測定等，難度中等，明確實驗原理是解本題關鍵，根據物質的性質分析解答，注意元素化合物知識的積累和靈活運用．