Question

12．菱鐵礦（主要成分是FeCO₃）是煉鐵的原料．已知FeCO₃為白色固體，不溶于水，在干燥空氣中穩(wěn)定，潮濕環(huán)境中需較長時間被氧化為Fe（OH）₃．
I．（1）甲同學(xué)取一定量碳酸亞鐵固體于燒杯中，加入足量水，將燒杯放置在天平左盤上，向右盤放入砝碼至天平平衡．放置較長時間后（不考慮水分蒸發(fā)），觀察到天平的指針會偏右（填“偏左”、“偏右”、“不發(fā)生偏轉(zhuǎn)”）；放置過程中還可觀察到的實驗現(xiàn)象為白色固體變成紅褐色固體（或產(chǎn)生氣泡）．
II．乙同學(xué)設(shè)計圖1所示的裝置制備FeCO₃．（FeSO₄和NaHCO₃溶液均用經(jīng)煮沸后冷卻的蒸餾水配制，并在FeSO₄溶液中加入少量鐵粉）．滴加NaHCO₃溶液后觀察到試管中出現(xiàn)白色沉淀，同時有大量無色氣體生成．

（2）產(chǎn)生的氣體是CO₂ （填分子式）．
（3）丙同學(xué)對白色沉淀的成分提出異議，并做出如下假設(shè)，請補充完成假設(shè)3：
假設(shè)1：白色沉淀是FeCO₃；
假設(shè)2：白色沉淀是Fe（OH）₂；
假設(shè)3：白色沉淀是Fe（OH）₂和FeCO₃．
（4）若假設(shè)1成立，寫出有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式：FeSO₄+2NaHCO₃=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑+Na₂SO₄．
（5）若假設(shè)2成立，說明用經(jīng)煮沸后冷卻的蒸餾水配制FeSO₄和NaHCO₃溶液的目的是除去水中溶解的氧氣，防止生成的Fe（OH）₂被迅速氧化．
請設(shè)計一個實驗方案驗證假設(shè)2成立，寫出實驗步驟、預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論，實驗所需儀器和藥品自選．
向產(chǎn)生白色沉淀的試管中通入空氣，若白色沉淀迅速變成灰綠色，最后變?yōu)榧t褐色，則說明假設(shè)2成立．
III．現(xiàn)取20.0g菱鐵礦，向其中加入足量稀硫酸，充分反應(yīng)，測得固體質(zhì)量與所加稀硫酸的質(zhì)量關(guān)系如圖2所示．（假設(shè)菱鐵礦中雜質(zhì)不參加反應(yīng)，且難溶于水．）
（6）菱鐵礦中FeCO₃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%
（7）若將稀硫酸改成1mol L^-1HNO₃，則該反應(yīng)的離子方程式為3FeCO₃+10H⁺+NO₃?=3Fe³⁺+3CO₂↑+NO↑+5H₂O．將反應(yīng)逸出的氣體與一定量的O₂混合循環(huán)通入反應(yīng)液中，目的是減少環(huán)境污染，NO跟H₂O、O₂反應(yīng)后又得到硝酸，提高原料利用率．
IV．某鐵銹成分為Fe₂O₃•xH₂O和FeCO₃．為確定其組成，興趣小組稱取此鐵銹樣品25.4g，在科研人員的指導(dǎo)下用圖3裝置進行實驗．

【查閱資料】
①Fe₂O₃•xH₂O失去結(jié)晶水溫度為110℃，F(xiàn)eCO₃在282℃分解為FeO和CO₂．
②溫度高于500℃時鐵的氧化物才能被CO還原．
（8）裝配好實驗裝置后，首先要檢查裝置氣密性．
（9）裝置A中的反應(yīng)為：H₂C₂O₄ （草酸）$\frac{\underline{\;濃硫酸\;}}{△}$ CO↑+CO₂↑+H₂O．通過B、C裝置可得到干燥、純凈的CO氣體，洗氣瓶B中應(yīng)盛放c（選填序號）．
a．濃硫酸        b．澄清的石灰水      c．氫氧化鈉溶液
（10）現(xiàn)控制D裝置中的溫度為300℃對鐵銹進行熱分解，直至D裝置中剩余固體質(zhì)量不再變化為止，冷卻后裝置E增重3.6g，裝置F增重2.2g．
則樣品中FeCO₃的質(zhì)量m（FeCO₃）=5.8g，x=2．
（11）若缺少G裝置，測得的m（FeCO₃）偏大（選填“偏大”、“偏小”、“不變”，下同），x的值會偏大．

Answer 1

分析 I（1）在有水與空氣下，放置較長時間后，碳酸亞鐵會發(fā)生反應(yīng)：4FeCO₃+6H₂O+O₂=4Fe（OH）₃+4CO₂，根據(jù)方程式左邊質(zhì)量如何變化；
FeCO₃是白色固體、Fe（OH）₃紅褐色固體；
II．（2）HCO₃^-和Fe ²⁺相互促進水解生成Fe（OH）₂和CO₂；
（3）根據(jù)組合可推知假設(shè)3為Fe（OH）₂和FeCO₃的混合物；
（4）如果白色沉淀的碳酸亞鐵，則硫酸亞鐵和碳酸氫鈉發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，為非氧化還原反應(yīng)，根據(jù)元素守恒及產(chǎn)物的穩(wěn)定性推知反應(yīng)方程式；
（5）如果生成氫氧化亞鐵，說明煮沸后溶液中不含氧氣；
產(chǎn)物Fe（OH）₂驗證可通過學(xué)生熟悉的顏色變化來設(shè)計，向溶液中通入氧氣，根據(jù)物質(zhì)顏色是否變化判斷；
（6）碳酸亞鐵和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和二氧化碳、水，剩余固體為未反應(yīng)的雜質(zhì)，則參加反應(yīng)的m（FeCO₃）=（20.0-8.4）g=11.6g，碳酸亞鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{碳酸亞鐵質(zhì)量}{樣品質(zhì)量}×100%$；
（7）碳酸亞鐵與硝酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鐵的產(chǎn)物為+3價，稀硝酸還原產(chǎn)生為NO，NO與氧氣反應(yīng)生成二氧化氮，二氧化氮和水反應(yīng)生成硝酸；
（8）實驗基本操作，裝配好實驗裝置后，首先要檢查裝置氣密性；
（9）二氧化碳是酸性氧化物，要除去CO₂應(yīng)該選取溶解性大的堿性溶液；
（10）溫度為300℃時，F(xiàn)e₂O₃•xH₂O失去結(jié)晶水（分解溫度為110℃），F(xiàn)eCO₃分解為FeO和CO₂（分解溫度為282℃），裝置E增重3.6g為水，n（H₂O）=$\frac{3.6g}{18}$=0.2mol，根據(jù)水分子守恒得n（Fe₂O₃•xH₂O）=$\frac{0.2}{x}$mol，裝置F增重2.2g為二氧化碳，n（CO₂）=$\frac{2.2g}{44g/mol}$=0.05mol，根據(jù)C原子守恒得n（FeCO₃）=0.05mol，
0.05mol FeCO₃質(zhì)量為：0.05mol×116mol L^-1=5.8g
則Fe₂O₃•xH₂O質(zhì)量為：25.4g-5.8g=19.6g．
$\frac{0.2}{x}$ mol×（160+18x）mol L^-1=19.6g    
據(jù)此計算x值；
（11）若缺少G裝置，F(xiàn)會吸收部分空氣中的水與二氧化碳而增重．

解答 解：（1）在有水與空氣下，放置較長時間后，碳酸亞鐵會發(fā)生反應(yīng)：4FeCO₃+6H₂O+O₂=4Fe（OH）₃+4CO₂，從而使左邊物質(zhì)質(zhì)量變大，則指針或偏右；碳酸亞鐵是白色固體、氫氧化鐵是紅褐色固體，所以顏色也由FeCO₃白色變?yōu)镕e（OH）₃紅褐色，
故答案為：偏右；白色固體變成紅褐色固體（或產(chǎn)生氣泡）；
（2）HCO₃^-和Fe ²⁺相互促進水解生成Fe（OH）₂和CO₂，溶液中產(chǎn)生的氣體為CO₂，
故答案為：CO₂；
（3）根據(jù)組合可推知假設(shè)3為Fe（OH）₂和FeCO₃，
故答案為：Fe（OH）₂和FeCO₃；
（4）如果白色沉淀的碳酸亞鐵，則硫酸亞鐵和碳酸氫鈉發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)，為非氧化還原反應(yīng)，根據(jù)元素守恒及產(chǎn)物的穩(wěn)定性推知反應(yīng)方程式為：FeSO₄+2NaHCO₃=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑+Na₂SO₄，
故答案為：FeSO₄+2NaHCO₃=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑+Na₂SO₄；
（5）煮沸后冷卻的蒸餾水配制FeSO₄和NaHCO₃溶液可以除去水中溶解的氧氣，防止生成的Fe（OH）₂被迅速氧化；而產(chǎn)物Fe（OH）₂驗證可通過學(xué)生熟悉的顏色變化來設(shè)計，其檢驗方法為向產(chǎn)生白色沉淀的試管中通入空氣，若白色沉淀迅速變成灰綠色，最后變?yōu)榧t褐色，則說明假設(shè)2成立，
故答案為：除去水中溶解的氧氣，防止生成的Fe（OH）₂被迅速氧化；
向產(chǎn)生白色沉淀的試管中通入空氣，若白色沉淀迅速變成灰綠色，最后變?yōu)榧t褐色，則說明假設(shè)2成立；
（6）碳酸亞鐵和稀硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵和二氧化碳、水，剩余固體為未反應(yīng)的雜質(zhì)，則參加反應(yīng)的m（FeCO₃）=（20.0-8.4）g=11.6g，碳酸亞鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{碳酸亞鐵質(zhì)量}{樣品質(zhì)量}×100%$=$\frac{11.6g}{20.0g}$×100%=58%，
故答案為：58%；
（7）碳酸亞鐵與硝酸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鐵的產(chǎn)物為+3價，稀硝酸還原產(chǎn)生為NO，反應(yīng)方程式為3FeCO₃+10H⁺+NO₃?=3Fe³⁺+3CO₂↑+NO↑+5H₂O，NO與氧氣反應(yīng)生成二氧化氮，二氧化氮和水反應(yīng)生成硝酸，為防止NO污染空氣，且為提高原料利用率，需循環(huán)使用NO，
故答案為：3FeCO₃+10H⁺+NO₃?=3Fe³⁺+3CO₂↑+NO↑+5H₂O；減少環(huán)境污染，NO跟H₂O、O₂反應(yīng)后又得到硝酸，提高原料利用率；
（8）實驗基本操作，裝配好實驗裝置后，首先要檢查裝置氣密性，
故答案為：檢查裝置氣密性；
（9）二氧化碳是酸性氧化物，要除去CO₂應(yīng)該選取溶解性大的堿性溶液，要除去CO₂最好選擇氫氧化鈉溶液，澄清的石灰水濃度低，堿性弱，
故答案為：c；
（10）溫度為300℃時，F(xiàn)e₂O₃•xH₂O失去結(jié)晶水（分解溫度為110℃），F(xiàn)eCO₃分解為FeO和CO₂（分解溫度為282℃），裝置E增重3.6g為水，n（H₂O）=$\frac{3.6g}{18}$=0.2mol，根據(jù)水分子守恒得n（Fe₂O₃•xH₂O）=$\frac{0.2}{x}$mol，裝置F增重2.2g為二氧化碳，n（CO₂）=$\frac{2.2g}{44g/mol}$=0.05mol，根據(jù)C原子守恒得n（FeCO₃）=0.05mol，
0.05mol FeCO₃質(zhì)量為：0.05mol×116mol L^-1=5.8g
則Fe₂O₃•xH₂O質(zhì)量為：25.4g-5.8g=19.6g．
$\frac{0.2}{x}$ mol×（160+18x）mol L^-1=19.6g    
  x=2，
故答案為：5.8；2；
（11）若缺少G裝置，F(xiàn)會吸收部分空氣中的水與二氧化碳而增重，使測得的m（FeCO₃）偏大，計算所得Fe₂O₃•xH₂O質(zhì)量偏小，而計算出的x偏大，
故答案為：偏大；偏大．

點評 本題考查物質(zhì)制備及物質(zhì)含量測定，為高頻考點，側(cè)重考查學(xué)生綜合分析判斷及計算能力，明確物質(zhì)性質(zhì)、各個物理量的關(guān)系、實驗基本操作方法等是解本題關(guān)鍵，注意圖3中G裝置的作用，很多同學(xué)往往漏掉空氣中水蒸氣和二氧化碳而導(dǎo)致錯誤，為易錯點．