Question

19．某研究小組為了探究“鐵與水蒸氣”能否發生反應及反應的產物，進行了下列實驗：用如圖所示實驗裝置，在硬質玻璃管B中放入鐵粉和石棉絨的混合物，再結合一些步驟，就可以完成髙溫下“Fe與水蒸氣的反應實驗”（己知石棉絨是耐高溫材料，不與水和鐵反應）．
Ⅰ．探究“鐵與水蒸氣”能否發生反應
（1）如何檢查該裝置的氣密性將C處導氣管末端浸入水槽中，加熱A處圓底燒瓶，導管末端出現氣泡，停止加熱后導管末端出現一段水柱，則氣密性好，否則氣密性不好
（2）實驗中石棉絨的作用是增大鐵粉與水蒸氣的接觸面積．
（3）反應一段時間后，有肥皂泡吹起時，用點燃的火柴靠近肥皂泡，當肥皂泡破裂，有爆鳴聲時（填實驗現象），說明“鐵與水蒸氣”能夠進行反應，寫出鐵與水蒸氣反應的化學方程式3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂ ．
Ⅱ．探究“鐵與水蒸氣”反應的產物
（1）假設還原鐵粉反應完全，黑色固體為某種單一成分，為研究黑色固體成分，該研究小組甲同學提出以下假設：
假設一：黑色固體全部是Fe₃O₄  假設二：黑色固體全部是Fe₂O₃  假設三：黑色固體全部是FeO
乙同學認為即使不通過實驗就可以否定甲同學的一個假設，你認為乙同學否認的假設是假設二，理由是由于Fe₂O₃為紅棕色粉末．則可以根據固體顏色直接否定假設二．
（2）若假設一正確，請設計實驗加以驗證，完成下列表格（儀器自選）．
限選實驗試劑：1mol•L^-1硫酸、2mol•L^-1NaOH溶液、新制氯水、澄清石灰水、酸性KMnO₄溶液、KSCN溶液、品紅溶液．

實驗步驟	預期實驗現象與結論
取反應后干燥的固體于試管中，加入足量的1mol•L-1硫酸溶解

Answer 1

分析 Ⅰ、（1）檢查裝置的氣密性有加熱法和液壓法，從本裝置的情況看，應該選用加熱法；
（2）從石棉絨疏松，表面積大，能夠增大鐵粉與水蒸氣的接觸面積的角度分析；
（3）爆鳴聲說明有氫氣生成，即可說明“鐵與水蒸氣”能夠進行反應，鐵在高溫下與水反應生成四氧化三鐵和氫氣，反應方程式為：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂ ；
Ⅱ、（1）一九氧化鐵為紅色固體分析；
（2）要驗證固體產物中鐵元素的價態，應該先將固體溶解，考慮到可能有鐵單質剩余，會與三價鐵離子反應，所以要先除去鐵單質，選用的試劑是硫酸銅溶液；剩余的固體則應用稀硫酸溶解，接著確定檢驗相應離子的試劑，三價鐵離子用的是硫氰化鉀溶液，而檢驗二價鐵則從限選試劑中只能用高錳酸鉀溶液，利用二價鐵離子的還原性，據此進行解答．

解答 解：Ⅰ、（1）利用加熱法檢驗該裝置氣密性，將C處將導管伸入水槽，并微熱A處圓底燒瓶，現象是導管末端出現氣泡，停止加熱后導管末端出現一段水柱，則氣密性良好，
故答案為：將C處導氣管末端浸入水槽中，加熱A處圓底燒瓶，導管末端出現氣泡，停止加熱后導管末端出現一段水柱，則氣密性好，否則氣密性不好；
（2）石棉絨疏松，表面積大，能夠增大鐵粉與水蒸氣的接觸面積，使氫氣與鐵粉充分接觸而反應，
故答案為：增大鐵粉與水蒸氣的接觸面積；
（3）鐵與水蒸氣生成氫氣，不純的氫氣在點燃時會有爆鳴聲，有肥皂泡吹起時，用點燃的火柴靠近肥皂泡，肥皂泡破裂，有爆鳴聲，鐵在高溫下與水反應生成四氧化三鐵和氫氣，反應方程式為：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂ ，
故答案為：肥皂泡破裂，有爆鳴聲，3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂ ；
II．（1）假設一：黑色固體全部是Fe₃O₄  假設二：黑色固體全部是Fe₂O₃  假設三：黑色固體全部是FeO
乙同學認為即使不通過實驗就可以否定甲同學的一個假設為假設二，氧化鐵為紅色固體，不是黑色固體，則可以根據固體顏色直接否定假設二，
故答案為：假設二；由于Fe₂O₃為紅棕色粉末．則可以根據固體顏色直接否定假設二；
（2）驗證固體產物中鐵元素的價態，先要將固體溶解，但考慮到可能有鐵單質剩余，會和三價鐵離子反應，所以要先除去鐵單質，選用的試劑是硫酸銅溶液，然后，剩余的固體則應用稀硫酸溶解（因為硝酸的氧化性會氧化二價鐵），接著確定檢驗相應離子的試劑，三價鐵離子用的是硫氰化鉀溶液，而檢驗二價鐵則從限選試劑中只能用高錳酸鉀溶液，利用二價鐵離子的還原性，
故答案為：

實驗步驟	預期實驗現象與結論
①取少量上述溶液于一試管中，滴加1〜2滴KSCN溶液 ②另取少量上述溶液于另一試管中，滴加2〜3滴酸性KMnO4溶液	①溶液變紅色，則反應后的固體中含有+3價的鐵 ②溶液不顯紫色，則反應后的固體中含有+2價的鐵，綜合上述步驟①②可知假設一正確．

點評 本題考查鐵及其化合物性質，題目難度中等，涉及鐵與水蒸氣的反應、氣密性的檢驗、實驗方案設計、二價鐵、三價鐵離子的檢驗方法等知識，試題知識點較多、充分考查學生的分析、理解能力及化學實驗能力．