Question

3．精還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對(duì)其進(jìn)行下列研究：
【物質(zhì)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(zhì)，可用氫氣在高溫下進(jìn)一步還原，其反應(yīng)方程式
FexOy+yH₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$xFe+yH₂O　　　　　 Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3Fe+CH₄
（1）寫(xiě)出焙燒中氧化鐵與CO反應(yīng)的化學(xué)方程式Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
（2）焙燒中加焦炭的作用除了可以生成CO外，還能提供熱量．
【含量測(cè)定】為得到精還原鐵粉并測(cè)定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按如下裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．
已知3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe（假設(shè)每步反應(yīng)都完全且不考慮裝置內(nèi)原有空氣對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響）．

（3）主要實(shí)驗(yàn)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(zhì)量；②點(diǎn)燃A處酒精燈；③緩緩?fù)ㄈ爰儍舾稍锏腍₂；④點(diǎn)燃C處酒精燈；⑤分別熄滅A、C處酒精燈；⑥再緩緩?fù)ㄈ肷倭縃₂；⑦再次稱量必要裝置的質(zhì)量．
操作的先后順序是①→③→④→②→⑤→⑥→⑦（填序號(hào)）
（4）步驟③的目的是除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗(yàn)證該步驟目的達(dá)到的實(shí)驗(yàn)方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)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(hù)作用．
（5）若裝置D、E分別增重m g和n g，則m與n的關(guān)系為B（填字母）；
A．11m=9n       B．11m＜9n         C．11m＞9n
若缺少裝置D，則所測(cè)氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將不變（“偏大”、“偏小”或“不變”，下同），碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將偏大．
（6）粗還原鐵粉樣品的質(zhì)量為10.000g，裝置B、E分別增重0.180g和0.220g，計(jì)算樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（要求計(jì)算過(guò)程）．

Answer 1

分析 （1）CO具有還原性，能與氧化鐵反應(yīng)而使氧化鐵還原成鐵，同時(shí)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(yīng)的發(fā)生；
（3）裝置A在加熱時(shí)發(fā)生反應(yīng)，生成的水與甲烷通過(guò)裝置B處理后進(jìn)入裝置C，進(jìn)入該裝置的氣體在加熱條件下發(fā)生反應(yīng)；
（4）步驟③的目的是 除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗(yàn)證該步驟目的達(dá)到的實(shí)驗(yàn)方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)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(hù)作用； 
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當(dāng)只有甲烷參與反應(yīng)時(shí)可以求出二氧化碳和水的質(zhì)量比為9：11，可求m與n的關(guān)系；
若缺少裝置D，氧元素的測(cè)定時(shí)取決于B裝置的吸收，所以是不會(huì)影響的（后面與氧化鐵的反應(yīng)物是甲烷氣體反應(yīng)造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會(huì)影響到）．碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過(guò)吸收二氧化碳，也可以說(shuō)通過(guò)E裝置的質(zhì)量增加來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)D不存在時(shí)，導(dǎo)致部分水被E吸收，而被誤當(dāng)成二氧化碳進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致碳元素質(zhì)量增加，進(jìn)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(yīng)生成的水，由該裝置增重為反應(yīng)生成水的質(zhì)量可求得粗還原鐵粉中氧元素質(zhì)量；裝置E中堿石灰吸收甲烷與氧化鐵反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳，由該裝置增重為反應(yīng)生成二氧化碳的質(zhì)量可計(jì)算出粗還原鐵粉中所含碳元素質(zhì)量．

解答 解：（1）氧化鐵在高溫條件下能與CO發(fā)生反應(yīng)生成鐵與二氧化碳，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；故填：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
（2）焦炭燃燒放出大量的熱，產(chǎn)生的熱量使裝置內(nèi)其它反應(yīng)得以發(fā)生；故填：提供熱量；
（3）根據(jù)題目中的假設(shè)情況，為使裝置A反應(yīng)產(chǎn)生的甲烷氣體全部在裝置C中發(fā)生反應(yīng)，操作時(shí)應(yīng)先將C處酒精燈點(diǎn)燃，然后再點(diǎn)燃A處酒精處；故選④②；故填：④；②；
（4）步驟③的目的是除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸，驗(yàn)證該步驟目的達(dá)到的實(shí)驗(yàn)方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)聲音；有剩余則沒(méi)有完全被除掉；步驟⑥的目的是防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護(hù)作用；故填：除去裝置內(nèi)的氧氣，防止發(fā)生爆炸；收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽(tīng)聲音；防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護(hù)作用；  
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當(dāng)只有甲烷參與反應(yīng)時(shí)可以求出二氧化碳和水的質(zhì)量比為9：11，可求m與n的關(guān)系．
3CH₄+4Fe₂O₃$\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}$，由于是加熱C在前，所以導(dǎo)致會(huì)先生成水，導(dǎo)致水的質(zhì)量多，所以是9n＜11m，所以選B．故選B；
若缺少裝置D，氧元素的測(cè)定時(shí)取決于B裝置的吸收，所以是不會(huì)影響的（后面與氧化鐵的反應(yīng)物是甲烷氣體反應(yīng)造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會(huì)影響到）．碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是通過(guò)吸收二氧化碳，也可以說(shuō)通過(guò)E裝置的質(zhì)量增加來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)D不存在時(shí)，導(dǎo)致部分水被E吸收，而被誤當(dāng)成二氧化碳進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致碳元素質(zhì)量增加，進(jìn)而使含碳量偏大．故填：不變；偏大；
（6）裝置B增重0.180g，則粗還原鐵粉與氫氣反應(yīng)生成水的質(zhì)量為0.180g，生成水中氧元素質(zhì)量=0.180g×$\frac{16}{18}$×100%=0.160g；樣品中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.160g}{10.000g}$×100%=1.6%
裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應(yīng)生成二氧化碳的質(zhì)量為0.220g，生成二氧化碳中碳元素質(zhì)量=0.220g×$\frac{12}{44}$×100%=0.060g；樣品中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)$\frac{0.060g}{10.000g}$×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.6%、0.6%．
故答案為：1.6%；0.6%．

點(diǎn)評(píng) 通過(guò)對(duì)鐵冶煉原理的知識(shí)遷移，理解該題的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及目的，考查了知識(shí)的運(yùn)用及實(shí)驗(yàn)分析的能力．