Question

3．精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進行下列研究：
【物質制備】利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下：

粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe₃C雜質，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應方程式
FexOy+yH₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$xFe+yH₂O　　　　　 Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+CH₄
（1）寫出焙燒中氧化鐵與CO反應的化學方程式Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
（2）焙燒中加焦炭的作用除了可以生成CO外，還能提供熱量．
【含量測定】為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質量分數(shù)，按如下裝置進行實驗．
已知3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe（假設每步反應都完全且不考慮裝置內原有空氣對測定結果的影響）．

（3）主要實驗步驟如下：
①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，稱量樣品和必要裝置的質量；②點燃A處酒精燈；③緩緩通入純凈干燥的H₂；④點燃C處酒精燈；⑤分別熄滅A、C處酒精燈；⑥再緩緩通入少量H₂；⑦再次稱量必要裝置的質量．
操作的先后順序是①→③→④→②→⑤→⑥→⑦（填序號）
（4）步驟③的目的是除去裝置內的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；步驟⑥的目的是防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用．
（5）若裝置D、E分別增重m g和n g，則m與n的關系為B（填字母）；
A．11m=9n       B．11m＜9n         C．11m＞9n
若缺少裝置D，則所測氧元素的質量分數(shù)將不變（“偏大”、“偏小”或“不變”，下同），碳元素的質量分數(shù)將偏大．
（6）粗還原鐵粉樣品的質量為10.000g，裝置B、E分別增重0.180g和0.220g，計算樣品中氧和碳元素的質量分數(shù)（要求計算過程）．

Answer 1

分析 （1）CO具有還原性，能與氧化鐵反應而使氧化鐵還原成鐵，同時放出二氧化碳；
（2）焦炭燃燒放出大量的熱，該熱量可維持其它反應的發(fā)生；
（3）裝置A在加熱時發(fā)生反應，生成的水與甲烷通過裝置B處理后進入裝置C，進入該裝置的氣體在加熱條件下發(fā)生反應；
（4）步驟③的目的是 除去裝置內的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；步驟⑥的目的是 防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用； 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當只有甲烷參與反應時可以求出二氧化碳和水的質量比為9：11，可求m與n的關系；
若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）．碳元素的質量分數(shù)是通過吸收二氧化碳，也可以說通過E裝置的質量增加來實現(xiàn)，當D不存在時，導致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導致碳元素質量增加，進而使含碳量偏大．
（6）裝置B中濃硫酸吸收氫氣與粗還原鐵粉反應生成的水，由該裝置增重為反應生成水的質量可求得粗還原鐵粉中氧元素質量；裝置E中堿石灰吸收甲烷與氧化鐵反應產(chǎn)生的二氧化碳，由該裝置增重為反應生成二氧化碳的質量可計算出粗還原鐵粉中所含碳元素質量．

解答 解：（1）氧化鐵在高溫條件下能與CO發(fā)生反應生成鐵與二氧化碳，反應的化學方程式為Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；故填：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
（2）焦炭燃燒放出大量的熱，產(chǎn)生的熱量使裝置內其它反應得以發(fā)生；故填：提供熱量；
（3）根據(jù)題目中的假設情況，為使裝置A反應產(chǎn)生的甲烷氣體全部在裝置C中發(fā)生反應，操作時應先將C處酒精燈點燃，然后再點燃A處酒精處；故選④②；故填：④；②；
（4）步驟③的目的是除去裝置內的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；有剩余則沒有完全被除掉；步驟⑥的目的是防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用；故填：除去裝置內的氧氣，防止發(fā)生爆炸；收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用；  
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當只有甲烷參與反應時可以求出二氧化碳和水的質量比為9：11，可求m與n的關系．
3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$8Fe+3CO₂+6H₂O
                3×44  6×18
                 n      m
則列式為$\frac{3×44}{6×18}=\frac{n}{m}$，
則$\frac{n}{m}=\frac{11}{9}$，由于是加熱C在前，所以導致會先生成水，導致水的質量多，所以是9n＜11m，所以選B．故選B；
若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）．碳元素的質量分數(shù)是通過吸收二氧化碳，也可以說通過E裝置的質量增加來實現(xiàn)，當D不存在時，導致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導致碳元素質量增加，進而使含碳量偏大．故填：不變；偏大；
（6）裝置B增重0.180g，則粗還原鐵粉與氫氣反應生成水的質量為0.180g，生成水中氧元素質量=0.180g×$\frac{16}{18}$×100%=0.160g；樣品中氧元素的質量分數(shù)=$\frac{0.160g}{10.000g}$×100%=1.6%
裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應生成二氧化碳的質量為0.220g，生成二氧化碳中碳元素質量=0.220g×$\frac{12}{44}$×100%=0.060g；樣品中碳元素的質量分數(shù)$\frac{0.060g}{10.000g}$×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質量分數(shù)分別為1.6%、0.6%．
故答案為：1.6%；0.6%．

點評 通過對鐵冶煉原理的知識遷移，理解該題的實驗過程及目的，考查了知識的運用及實驗分析的能力．