Question

美國(guó)計(jì)劃2015年再次登陸月球，繼而在月球上建立基地，給人類登陸火星作準(zhǔn)備．為了早日實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想，1992年美國(guó)進(jìn)行了第一次利用實(shí)際的月球巖石--玄武巖（FeTiO₃，鈦酸亞鐵）來(lái)制造氧氣的試驗(yàn)．已知FeTiO₃被H₂還原后，生成Fe、TiO₂和水，被C還原后生成Fe、TiO₂和CO₂；TiO₂經(jīng)過(guò)一系列處理后，可以制得納米TiO₂．請(qǐng)參與探究，并回答下列問(wèn)題：
為測(cè)定鈦鐵礦中可提取氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，某研究性學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了以下兩套實(shí)驗(yàn)裝置：

（1）學(xué)生甲設(shè)想用圖1裝置（A為電加熱裝置）從鈦鐵礦中提取氧．請(qǐng)寫出FeTiO₃在加熱時(shí)被H₂還原的化學(xué)方程式

 

和最簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)步驟

 

（選填下列數(shù)字編號(hào)）．
①通入N₂；②停止通N₂；③通入H₂；④停止通H₂；⑤加熱；⑥停止加熱；⑦稱取裝置B的質(zhì)量．
（2）學(xué)生乙設(shè)想用圖2裝置（A為電加熱裝置）從鈦鐵礦中提取氧，并且認(rèn)為該方案的意義在于：反應(yīng)產(chǎn)生的CO₂可通過(guò)綠色植物的光合作用轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生氧氣：6CO₂+6H₂O

光合作用

C₆H₁₂O₆（葡萄糖）+6O₂．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，稱得反應(yīng)前裝置A中鈦鐵礦的質(zhì)量為ag，炭粉的質(zhì)量為bg，反應(yīng)后裝置B中產(chǎn)生CaCO₃的質(zhì)量為cg，則鈦鐵礦中可提取氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表達(dá)式為

 

．
（3）經(jīng)專家評(píng)審后，認(rèn)定兩個(gè)方案都很有意義，但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面還存在不足之處，例如圖2裝置在加熱時(shí)，生成的CO₂不可能全部被澄清石灰水吸收，同時(shí)鈦鐵礦和炭粉在加熱時(shí)還會(huì)產(chǎn)生CO，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差．
①請(qǐng)對(duì)學(xué)生乙的設(shè)想提出改進(jìn)措施：改用圖1裝置，并在U型管B之前增加盛有

 

的燃燒管，

 

．
②改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)自始至終需持續(xù)向裝置A中通入N₂的目的是

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：探究物質(zhì)的組成或測(cè)量物質(zhì)的含量

專題：

分析：（1）已知FeTiO₃被H₂還原后，生成Fe、TiO₂和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeTiO₃+H₂

△   .

Fe+TiO₂+H₂O；用氫氣還原鈦鐵礦，為防止生成的水發(fā)生倒吸，應(yīng)該先通氫氣，停止加熱后再停止通氫氣；
（2）根據(jù)關(guān)系式：CaCO₃～CO₂～O₂，計(jì)算鈦鐵礦中可提取氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

32c

100a

；
（3）①對(duì)學(xué)生乙的設(shè)想提出改進(jìn)措施：改用圖1裝置，為了CO充分反應(yīng)生成CO₂，在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃燒管；為了防止空氣中的CO₂進(jìn)入U(xiǎn)型管B，在B之后增加盛堿石灰的干燥管；②實(shí)驗(yàn)自始至終需持續(xù)向裝置A中通入N₂，反應(yīng)前可以將裝置中的空氣趕出，反應(yīng)開始后可將CO₂及時(shí)趕出使之被堿石灰吸收．

解答： 解：（1）已知FeTiO₃被H₂還原后，生成Fe、TiO₂和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：FeTiO₃+H₂

△   .

Fe+TiO₂+H₂O；用氫氣還原鈦鐵礦，為防止生成的水發(fā)生倒吸，應(yīng)該先通氫氣，停止加熱后再停止通氫氣，故最簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)步驟③⑤⑥④⑦；
故答案為：FeTiO₃+H₂

△   .

Fe+TiO₂+H₂O；  ③⑤⑥④⑦；  
（2）根據(jù)關(guān)系式：CaCO₃～CO₂～O₂，鈦鐵礦中可提取氧的物質(zhì)的量為

c

100

mol，則鈦鐵礦中可提取氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表達(dá)式為

32c

100a

；
故答案為：

32c

100a

；
（3）①對(duì)學(xué)生乙的設(shè)想提出改進(jìn)措施：改用圖1裝置，為了CO充分反應(yīng)生成CO₂，在U型管B之前增加盛有CuO粉末的燃燒管；為了防止空氣中的CO₂進(jìn)入U(xiǎn)型管B，在B之后增加盛堿石灰的干燥管；
故答案為：CuO粉末；在B之后增加盛堿石灰的干燥管；
②改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)自始至終需持續(xù)向裝置A中通入N₂，反應(yīng)前可以將裝置中的空氣趕出，反應(yīng)開始后可將CO₂及時(shí)趕出使之被堿石灰吸收；
故答案為：反應(yīng)前將裝置中的空氣趕出，反應(yīng)開始后可將CO₂及時(shí)趕出使之被堿石灰吸收．

點(diǎn)評(píng)：本題考查鈦鐵礦中可提取氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，難度中等，明確實(shí)驗(yàn)原理是解題的關(guān)鍵．