Question

4．某研究性學習小組對過量炭粉與氧化鐵反應的氣體產(chǎn)物成分進行研究．
（1）提出假設(shè)  ①該反應的氣體產(chǎn)物是CO₂．
②該反應的氣體產(chǎn)物是CO．
③該反應的氣體產(chǎn)物是CO₂、CO的混合物．
（2）設(shè)計方案  如圖所示，將一定量的氧化鐵在隔絕空氣的條件下與過量炭粉完全反應，測定參加反應的碳元素與氧元素的質(zhì)量比．

（3）查閱資料
氮氣不與碳、氧化鐵發(fā)生反應．實驗室可以用氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉（NaNO₂）
飽和溶液混合加熱反應制得氮氣．
請寫出該反應的離子方程式：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O．
（4）實驗步驟
①按上圖連接裝置，并檢查裝置的氣密性，稱取3.20g氧化鐵、2.00g碳粉混合均勻，放入48.48g的硬質(zhì)玻璃管中；
②加熱前，先通一段時間純凈干燥的氮氣；
③停止通入N₂后，夾緊彈簧夾，加熱一段時間，澄清石灰水（足量）變渾濁；
④待反應結(jié)束，再緩緩通入一段時間的氮氣．冷卻至室溫，稱得硬質(zhì)玻璃管和固體總質(zhì)量為52.24g；
⑤過濾出石灰水中的沉淀，洗滌、烘干后稱得質(zhì)量為2.00g．
步驟②、④中都分別通入N₂，其作用分別為步驟②中是為了排盡空氣；步驟④是為了趕出所有的CO₂，確保完全吸收．
（5）數(shù)據(jù)處理
試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，寫出該實驗中氧化鐵與碳發(fā)生反應的化學方程式：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑．
（6）實驗優(yōu)化  學習小組有同學認為應對實驗裝置進一步完善．
①甲同學認為：應將澄清石灰水換成Ba（OH）₂溶液，其理由是Ba（OH）₂溶解度大，濃度大，使CO₂被吸收的更完全；M（BaCO₃）＞M（CaCO₃），稱量時相對誤差小．
②從環(huán)境保護的角度，請你再提出一個優(yōu)化方案將此實驗裝置進一步完善：在尾氣出口處加一點燃的酒精燈或增加一尾氣處理裝置．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)過量炭粉與氧化鐵反應的氣體產(chǎn)物可能有①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物得出假設(shè)③；
（3）氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉（NaNO2）飽和溶液混合加熱反應可以制得氮氣；
（4）⑤根據(jù)前后兩次通入氮氣的時間和減小實驗誤差角度來分析；
（5）根據(jù)質(zhì)量守恒判斷氣體的組成，根據(jù)質(zhì)量關(guān)系計算氣體的物質(zhì)的量之間的關(guān)系，進而書寫化學方程式；
（6）①根據(jù)氫氧化鈣和氫氧化鋇的本質(zhì)區(qū)別進行分析；
②一氧化碳是一種有毒氣體，可以通過點燃來進行尾氣處理．

解答 解：（1）過量炭粉與氧化鐵反應的氣體產(chǎn)物可能有：①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物，則假設(shè)③為：CO₂、CO的混合物，
故答案為：CO₂、CO的混合物；
（3）氯化銨飽和溶液和亞硝酸鈉（NaNO₂）飽和溶液混合加熱反應制得氮氣，反應物有NH₄Cl和NaNO₂，生成物為N₂，根據(jù)質(zhì)量守恒還應用水，則反應的化學方程式為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O，
故答案為：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O；
（4）如果不排盡空氣，那么空氣中的氧氣會與炭粉反應影響反應后生成氣體的組成，所以利用穩(wěn)定的氮氣排空氣，最后確保完全吸收，反應后還要趕出所有的CO₂，
故答案為：步驟②中是為了排盡空氣；步驟④是為了趕出所有的CO₂，確保完全吸收；
（5）3.20g氧化鐵的物質(zhì)的量為=$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，澄清石灰水變渾濁，說明有CO₂氣體生成，
則n（CO₂）=n（CaCO₃）=$\frac{2.0g}{100g/mol}$=0.02mol，m（CO₂）=0.02mol×44g/mol=0.88g，
反應后硬質(zhì)玻璃管和固體總質(zhì)量變化為1.44g大于0.88g，則生成其氣體為CO₂、CO的混合物，混合氣體中含有CO0.08mol，所以CO、CO₂的混合氣體物質(zhì)的量比為4：1，所以方程式為：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑，
故答案為：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑；
（6）①將澄清石灰水換成Ba（OH）₂溶液的理由是Ba（OH）₂溶解度大，濃度大，使CO₂被吸收的更完全；M （BaCO₃）＞M（CaCO₃），稱量時相對誤差小，
故答案為：Ba（OH）₂溶解度大，濃度大，使CO₂被吸收的更完全；M （BaCO₃）＞M（CaCO₃），稱量時相對誤差小；
②一氧化碳是一種有毒氣體，可以通過點燃進行尾氣處理，
故答案為：在尾氣出口處加一點燃的酒精燈或增加一尾氣處理裝置．

點評 本題主要考查的是物質(zhì)組成與含量的測定、性質(zhì)實驗方案的設(shè)計，題目難度中等，涉及離子反應方程式、化學方程式書寫、環(huán)境保護、實驗方案的設(shè)計與評價等知識，試題知識點較多、綜合性較強，充分考查學生的分析能力及化學實驗、化學計算能力．