Question

14．李強在學習了高中化學《鐵及其化合物》一節的知識后，對初中“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗中的產物產生了疑惑，他認為燃燒時濺落下來的黑色物質中除了Fe₃O₄外可能還含有其他物質，為了驗證自己的猜想，他在實驗室中重做該實驗，并進行了如下探究活動：查閱資料：①自然界中鐵的氧化物主要是Fe₃O₄和Fe₂O₃兩種，FeO高溫時極易被氧化為Fe₂O₃，而Fe₂O₃在高溫時又容易分解成Fe₃O₄和一種氣體；②鐵的氧化物的分解溫度及鐵的熔點：

	Fe3O4	Fe2O3	Fe
分解溫度/°C	1538	1400	-
熔點/°C	-	-	1535

（1）根據以上資料，李強提出猜想：黑色物質的成分可能為Fe和Fe₃O₄．為了確定黑色物質的成分，李強設計了如下幾個實驗方案：
方案1：取該黑色物質溶于足量的稀硫酸中，觀察是否有大量氣體生成．
方案2：稱取碾碎成粉末狀的黑色物質a g，在空氣中充分灼燒，待反應完全后，在干燥器里冷卻，再稱重，反復多次直到固體恒重，稱得質量為b g，比較a、b的關系．
方案3：取少量碾碎成粉末狀的黑色物質，用磁鐵吸引，看是否被吸起．
你認為能夠證明李強猜想的合理實驗方案是方案2，其他方案不合理的原因是黑色固體中Fe含量很少，同時在溶液中發生反應：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，則方案1看不到明顯現象（只說其中的一個理由）．
（2）針對李強的質疑，研究性學習小組又設計了新的探究方案，裝置如下圖所示．

a．若反應都進行完全，要想確定黑色固體成分必須測定下列物理量中的②③⑤（只填序號）．
①通入氫氣體積V　②反應前，黑色固體+硬質玻璃管的總質量m₁　③完全反應后黑色固體+硬質玻璃管的總質量m₂　④實驗前，干燥管質量m₃　⑤硬質玻璃管質量m₄　⑥鋅粒質量m₅　⑦稀硫酸中含溶質的量n　⑧實驗后，干燥管質量m₆．
b．根據測定的實驗數據，計算出黑色固體中Fe₃O₄的質量分數為$\frac{29（m1-m2）}{8（m2-m3）}$．
（3）向一定量FeO、Fe和Fe₃O₄的混合物中加入100 mL l.5 mol•L^-1的鹽酸，使混合物完全溶解，放出224mL（標準狀況）氣體，再向反應后的溶液中加入1 mol•L^-1NaOH溶液，要使鐵元素完全沉淀下來，所加入NaOH溶液的體積最少為C
A.90 mL             B.100 mL         C.150 mL            D.200 mL．

Answer 1

分析 （1）根據Fe的熔點及兩種氧化物的分解溫度確定黑色物質的成分；
（2）根據反應前后黑色固體與硬質玻璃管總質量的差值即為Fe與O₂反應消耗O₂的質量來判斷；
（3）當鐵元素恰好完全沉淀時，溶液中剩余的溶質為NaCl，據此化學式可知n（Na⁺）=n（Cl^-）=n（NaOH）=n（HCl），據此計算．

解答 解：（1）根據Fe的熔點及兩種氧化物的分解溫度可知Fe熔化的溫度下，Fe₂O₃已分解，不可能存在于黑色物質中．驗證黑色物質中是否存在Fe應利用Fe與Fe₃O₄的不同，酸液中，Fe₃O₄會生成Fe³⁺，將可能存在的Fe氧化為Fe²⁺，不放出氣體，而Fe與Fe₃O₄ 都有磁性，都能被磁鐵吸引，Fe₃O₄也具有磁性，能被磁鐵吸引，方案3不可取．故答案為：Fe和Fe₃O₄；黑色固體中Fe含量很少，同時在溶液中發生反應：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，則方案1看不到明顯現象；
（2）反應前后黑色固體與硬質玻璃管總質量的差值即為Fe與O₂反應消耗O₂的質量，為：m1-m2，根據反，3Fe+2O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$Fe₃O₄，從而可以求出原黑色固體中Fe₃O₄的質量是$\frac{29（m1-m2）}{8}$g，質量分數是$\frac{29（m1-m2）}{8（m2-m3）}$×100%=，故答案為：②③⑤；$\frac{29（m1-m2）}{8（m2-m3）}$；
（3）當鐵元素恰好完全沉淀時，溶液中剩余的溶質為NaCl，據此化學式可知n（Na⁺）=n（Cl^-）=n（NaOH）=n（HCl），即0.1 L×1.5 mol/L=1 mol/L×V（NaOH），解得：V（NaOH）=0.15 L．故選C．

點評 本題是一道關于鐵元素以及化合物性質實驗方案設計的考查題，注意知識的歸納和梳理是關鍵，難度不大．