Question

在眾多的化學反應現象中，化學振蕩現象最為令人驚奇，化學振蕩實驗很多，其中酸與鐵絲的反應就是其中一例．某合作小組的同學查閱文獻資料后，擬做鐵絲與酸的化學振蕩實驗并進行探究．
實驗步驟：
①將2cm左右的鐵絲夾成多段，放在培養皿中，先用熱的碳酸鈉溶液除去鐵絲表面的油污，蒸餾水沖洗后，再用某種試劑X浸泡到有大量氣泡時取出，用蒸餾水沖洗干凈．
②在細口瓶中加入30mL1.0mol/L的H₃PO₄、3mL30%的H₂O₂溶液，將處理后的鐵絲放入其中．
③觀察現象：鐵絲表面產生氣泡，隨后消失，再產生氣泡，再消失的周而往復的化學振蕩現象出現，振蕩周期約20秒，可維持數小時．
試回答下列問題：
（1）步驟①中，用試劑X可除去鐵釘表面的鐵的氧化物或鍍層，所用的試劑X可能是

 

（選填序號：A．NaOH   B．鹽酸C．酒精）．
（2）對振蕩中產生的氣體的成分，甲、乙兩同學分別提出了假設，丙同學進行了驗證．
甲同學認為是H₂，其可能的理由是：

 

．
乙同學認為是O₂，其可能的理由是：

 

．
丙同學在細口瓶中插入數據采集器氧氣傳感器，密封進行實驗一小時，結果發現瓶中氧氣的百分含量呈現逐漸減小的趨勢，從而證明產生的氣體是

 

．
（3）丁同學猜想酸與鐵絲振蕩體系中的反應機理及過程：
（a） Fe+2H⁺→Fe²⁺+H₂        （b）2Fe²⁺+H₂O₂+H₂O→Fe₂O₃+4H⁺
（c）Fe₂O₃+6H⁺→2Fe³⁺+3H₂O   （d）2Fe³⁺+H₂→2Fe²⁺+2H⁺，依據過程：
（a）→（b）→（c）→（d）→（a）…周而復始．
依據此機理，四步反應總的反應方程式為：

 

．
（4）戊同學對本次實驗中的所用鐵釘中單質鐵的含量進行測定，他們先配制一定物質的量濃度的硫酸，然后將一定質量的鐵與硫酸（加入適量的銅粉）充分反應，并收集產生的氣體，有關數據如下表：

	①	②	③
硫酸溶液體積/mL	50	50	50
稱取鐵釘質量/g	5.0	6.0	7.0
再投入銅粉質量/g	1.0	1.0	1.0
標準狀況下的體積/L	1.97	2.24	2.24

所配硫酸的物質的量濃度為：

 

mol/L；鐵釘中單質鐵的質量分數為

 

．

Answer 1

分析：（1）鐵釘表面的鐵的氧化物或鍍層可以與酸反應，所以，要除去氧化物或鍍就可以選擇鹽酸；
（2）在H₃PO₄、H₂O₂溶液中加入鐵絲后，可能發生反應Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂^↑和2H₂O₂═2H₂O+O₂↑，所出現的氣體就有可能是H₂或O₂，根據氧氣的百分含量呈現逐漸減小的趨勢，可知產生的氣體應當是氫氣；
（3）依據題中所提供的實驗操作可以看出參加反應的物質有Fe、H₂O₂及酸，根據題中信息（a）、（b）、（c）、（d）可知，在反應中部分鐵與酸反應產生Fe²⁺和H₂，Fe²⁺和被H₂O₂氧化成Fe₂O₃，Fe₂O₃在酸性條件下將前面產生的H₂氧化成掉，自身被還原為Fe²⁺，所以四步反應總反應的產物為Fe²⁺和H₂O，據再配平，即可寫出總反應方程式；
（4）將題中表格所提供的三組數據進行比較分析，可以看出②和③中鐵的量在①的基礎增加了，但產生的氫氣沒有增加，說明酸不足，鐵過量，即①中酸過量，鐵釘完全溶解，所以硫酸的物質的量濃度可以根據②或③中的有關數據進行計算，參加反應的鐵則用①中的數據進行計算．

解答：解：（1）鐵釘表面的鐵的氧化物或鍍層可以與酸反應，所以，要除去氧化物或鍍就可以選擇鹽酸，故答案為：B；
（2）在H₃PO₄、H₂O₂溶液中加入鐵絲后，可能發生反應Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂^↑和2H₂O₂═2H₂O+O₂↑，所出現的氣體就有可能是H₂或O₂，根據氧氣的百分含量呈現逐漸減小的趨勢，可知產生的氣體應當是氫氣，
故答案為：鐵絲能與磷酸反應產生氫氣；過氧化氫分解可產生氧氣；氫氣；
（3）依據題中所提供的實驗操作可以看出參加反應的物質有Fe、H₂O₂及酸，根據題中信息（a）、（b）、（c）、（d）可知，在反應中部分鐵與酸反應產生Fe²⁺和H₂，Fe²⁺和被H₂O₂氧化成Fe₂O₃，Fe₂O₃在酸性條件下將前面產生的H₂氧化成掉，自身被還原為Fe²⁺，所以四步反應總反應的產物為Fe²⁺和H₂O，據再配平，即可寫出總反應方程式為：2Fe+H₂O₂+4H⁺=2Fe²⁺+2H₂O，故答案為：2Fe+H₂O₂+4H⁺=2Fe²⁺+2H₂O； 
（4）將題中表格所提供的三組數據進行比較分析，可以看出②和③中鐵的量在①的基礎增加了，但產生的氫氣沒有增加，說明酸不足，鐵過量，即①中酸過量，鐵釘完全溶解，所以硫酸的物質的量濃度可以根據②或③中的有關數據進行計算，參加反應的鐵則用①中的數據進行計算．
設50ml溶液中硫酸的物質的量為xmol．5g鐵釘中鐵的質量為yg．
Fe+H₂SO₄ ═FeSO₄ +H₂↑
     1mol        1mol
     xmol      

2.24

22.4

2.24L

22.4L/mol

=0.1mol

1m0l

xmol

=

1mol

0.1mol

x=0.1
稀硫酸的物質的量濃度=

0.1mol

0.05L

=2mol/L
Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑
56g           1mol
yg             

1.97L

22.4L/mol

=0.088mol

56

y

=

1

0.088

y=4.925
單質鐵的質量分數=

4.925

5.0

×100%=98.5%
即稀硫酸的物質的量濃度為2mol/L，鐵釘中單質鐵的質量分數為98.5%．
故答案為：2；98.5%．

點評：本題運用元素化合物知識的基礎上考查了學生綜合分析實驗和計算的能力，對學生分析實驗的能力要求較高，有較大難度，計算較為簡單．