Question

13．鋼鐵是最重要、用量最大的金屬材料之一．完成下列計(jì)算：
（1）生產(chǎn)1噸含鐵96%的生鐵，至少需要氧化鐵含量70%的赤鐵礦（雜質(zhì)不含鐵）1.96噸．（計(jì)算結(jié)果保留2位小數(shù)）
（2）工業(yè)煉鐵用一氧化碳還原氧化鐵時(shí)會(huì)發(fā)生如下一系列反應(yīng)：
3Fe₂O₃+CO→2Fe₃O₄+CO₂ Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂ FeO+CO→Fe+CO₂
某次實(shí)驗(yàn)中，用CO還原4.80g氧化鐵，當(dāng)固體質(zhì)量變成4.56g時(shí)，測(cè)得此固體中只存在2種氧化物．通過(guò)計(jì)算確定此固體可能的成分和它們的物質(zhì)的量之比．
（3）為了測(cè)定某碳素鋼（假設(shè)只含鐵和碳）的含碳量，將10.000g鋼樣完全溶解于過(guò)量的熱濃硝酸中，產(chǎn)生了0.300mol氣體（假設(shè)氣體全部逸出，N₂O₄已折算為NO₂）．氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液完全吸收后，只生成兩種鹽，溶液蒸干后得到不含結(jié)晶水的固體32.664g．計(jì)算：
（1）鋼樣的含碳量．
（2）參加反應(yīng)的硝酸的物質(zhì)的量．

Answer 1

分析 （1）工業(yè)冶煉生鐵的原理反應(yīng)為Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；根據(jù)反應(yīng)中生成鐵的質(zhì)量，可計(jì)算參加反應(yīng)的氧化鐵的質(zhì)量；
（2）4.80g氧化鐵的物質(zhì)的量為：$\frac{4.80g}{160g/mol}$=0.03mol，4.80g氧化鐵，當(dāng)固體質(zhì)量變成4.56g時(shí)，減少氧的物質(zhì)的量為$\frac{4.80g-4.56g}{16g/mol}$=0.015，所以所得氧化物中氧的物質(zhì)的量為：0.03×3-0.015=0.075mol，鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：0.03×2：0.075=1：1.25，而Fe₃O₄中鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：1：1.33，在FeO中鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：1：1，在Fe₂O₃中鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：1：1.5，所以固體混合物可能是Fe₂O₃和FeO和Fe₃O₄和FeO，然后求各自的物質(zhì)的量；
（3）（1）若鐵與濃硝酸反應(yīng)生成的完全為二氧化氮，根據(jù)反應(yīng)C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，當(dāng)C為0時(shí)生成氣體的量最少，則10g鐵完全反應(yīng)生成二氧化氮的物質(zhì)的量為：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以鐵與硝酸反應(yīng)生成的氣體為NO、NO₂的混合物；再根據(jù)氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氫氧化鈉遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量）完全吸收后，只生成兩種鹽可知，生成的鹽為碳酸鈉和亞硝酸鈉，說(shuō)明生成的NO、NO₂的物質(zhì)的量相等，設(shè)NO、NO₂的物質(zhì)的量都為x，該碳素鋼中含有C為y，根據(jù)反應(yīng)C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC與濃硝酸反應(yīng)生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，鐵與濃硝酸反應(yīng)生成的二氧化氮為：x-4y，根據(jù)反應(yīng)Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，該鋼中含有鐵的物質(zhì)的量為：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根據(jù)該鋼的質(zhì)量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，再根據(jù)氣體的總物質(zhì)的量可得：②y+2x=0.3，聯(lián)立①②計(jì)算出x、y，再計(jì)算出該鋼樣的含碳量；
（2）根據(jù)（1）計(jì)算結(jié)果及反應(yīng)C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O計(jì)算出反應(yīng)中消耗硝酸的總物質(zhì)的量．

解答 解：（1）設(shè)需要赤鐵礦的質(zhì)量為x
Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ 2Fe+3CO₂
160            112
x×70%        1t×96%
$\frac{160}{x×70%}=\frac{112}{1t×96%}$，解之得：x=1.96t
答：至少需要70%的赤鐵礦1.96；Fe₂O₃和FeO  1：2；
（2）4.80g氧化鐵的物質(zhì)的量為：$\frac{4.80g}{160g/mol}$=0.03mol，4.80g氧化鐵，當(dāng)固體質(zhì)量變成4.56g時(shí)，減少氧的物質(zhì)的量為$\frac{4.80g-4.56g}{16g/mol}$=0.015，所以所得氧化物中氧的物質(zhì)的量為：0.03×3-0.015=0.075mol，鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：0.03×2：0.075=1：1.25，而Fe₃O₄中鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：1：1.33，在FeO中鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：1：1，在Fe₂O₃中鐵與氧的物質(zhì)的量之比為：1：1.5，所以固體混合物可能是Fe₂O₃和FeO和Fe₃O₄和FeO，如果是Fe₂O₃和FeO的混合物，設(shè)兩者的物質(zhì)的量分別為：xmol，ymol，則$\frac{1.5x+y}{x+y}=1.25$，解之得$\frac{x}{y}=\frac{1}{2}$；如果是Fe₃O₄和FeO的混合物，解得兩的物質(zhì)的量之比為：1：1，答：Fe₂O₃和FeO的混合物，兩者之比為1：2；或者Fe₃O₄和FeO的混合物，兩的物質(zhì)的量之比為：1：1；
（3）（1）若鐵與濃硝酸反應(yīng)生成的完全為二氧化氮，根據(jù)反應(yīng)C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0、Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O可知，當(dāng)C為0時(shí)生成氣體的量最少，則10g鐵完全反應(yīng)生成二氧化氮的物質(zhì)的量為：$\frac{10g}{56g/mol}$×3≈0.536mol＞0.300mol，所以鐵與硝酸反應(yīng)生成的氣體為NO、NO₂的混合物；再根據(jù)氣體用50.00mL 12.00mol/L的NaOH溶液（氫氧化鈉遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量）完全吸收后，只生成兩種鹽可知，生成的鹽為碳酸鈉和亞硝酸鈉，說(shuō)明生成的NO、NO₂的物質(zhì)的量相等，設(shè)NO、NO₂的物質(zhì)的量都為x，該碳素鋼中含有C為y，
根據(jù)反應(yīng)C+4HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO₂↑+4NO₂↑+2H₂0可知，ymolC與濃硝酸反應(yīng)生成ymol二氧化碳、4ymol二氧化氮，
鐵與濃硝酸反應(yīng)生成的二氧化氮為：x-4y，根據(jù)反應(yīng)Fe+6HNO₃（濃）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+3NO₂↑+3H₂O、Fe+4HNO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe（NO₃）₃+NO↑+2H₂O可知，該鋼中含有鐵的物質(zhì)的量為：$\frac{3}{2}$x+$\frac{1}{3}$（x-4y），根據(jù)該鋼的質(zhì)量可得：①[x+$\frac{1}{3}$（x-4y）]×56+12y=10.00，再根據(jù)氣體的總物質(zhì)的量可得：②y+2x=0.3，聯(lián)立①②解得：x=0.144mol、y=0.012mol，
即：該鋼中含有0.012molC，其含碳量為：$\frac{12g/mol×0.012mol}{10.00g}$×100%=1.44%，
答：該鋼樣的含碳量為1.44%；
（2）0.012molC消耗硝酸的物質(zhì)的量為：0.012mol×4=0.048mol，
生成0.144molNO消耗硝酸的物質(zhì)的量為：0.144mol×4=0.576mol，
鐵與濃硝酸反應(yīng)生成二氧化氮的物質(zhì)的量為：0.144mol-0.012mol×4=0.096mol，反應(yīng)生成0.096mol二氧化氮消耗硝酸的物質(zhì)的量為：0.096mol×$\frac{6}{3}$=0.192mol，
所以反應(yīng)中消耗硝酸的總物質(zhì)的量為：0.048mol+0.576mol+0.192mol=0.816mol，
答：參加反應(yīng)的硝酸的物質(zhì)的量為0.816mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查使用化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算和混合物反應(yīng)的計(jì)算，題目難度較大，學(xué)生注意代入化學(xué)方程式的量一定是純凈物的質(zhì)量，不能把混合物的質(zhì)量直接代入化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算，下面兩個(gè)題目根據(jù)生成氣體的量及生成兩種鹽判斷反應(yīng)氣體組成及生成固體的組成為解答關(guān)鍵，注意明確一氧化氮、二氧化氮與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)原理，試題側(cè)重考查學(xué)生的分析、理解能力．