Question

【題目】某研究性學(xué)習(xí)小組請(qǐng)你參與“研究鐵與水蒸氣反應(yīng)所得固體物質(zhì)的成分、性質(zhì)及再利用”實(shí)驗(yàn)探究，并回答下列問題：

探究一：設(shè)計(jì)如圖所示裝置進(jìn)行“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)(夾持儀器略) 。

（1）硬質(zhì)玻璃管 B 中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：________________________________。

（2）裝置 D的作用是_______________________。

探究二：設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)方案確定反應(yīng)后硬質(zhì)玻璃管B 中黑色固體的成分（已知酸性KMnO4溶液能與鹽酸發(fā)生反應(yīng)）。

（3）待硬質(zhì)玻璃管 B 冷卻后，取少許其中的固體物質(zhì)繼續(xù)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

①試劑A是________，現(xiàn)象2為___________________ 。

②若現(xiàn)象1中溶液未變血紅色，請(qǐng)從硬質(zhì)玻璃管B中固體物質(zhì)的成分分析可能的原因：________________________________________________________________________。

探究三：某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)用硬質(zhì)玻璃管B中固體制備Fe3O4納米材料的流程示意圖如下：

已知：①濁液B中鐵元素以FeOOH形式存在；

②在操作I中，相同條件下測(cè)得Fe3O4的產(chǎn)率與的關(guān)系如下圖所示。

（4）在濾液A轉(zhuǎn)化為濁液B反應(yīng)完成后需再加熱一段時(shí)間除去剩余H2O2，目的是_________。

（5）設(shè)濁液B中FeOOH的物質(zhì)的量為amol，濾液A中的鐵元素的物質(zhì)的量為bmol。為使Fe3O4的產(chǎn)率最高，則＝_________。（填數(shù)值，保留3位有效數(shù)字）

Answer 1

【答案】3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2 除去H2中的水蒸氣，防止E的玻璃管破裂 稀硫酸 酸性KMnO4溶液褪色 B中固體可能有Fe3O4 和Fe，Fe將Fe3+全部還原為Fe2+ 加熱使其分解除去，防止其在步驟⑤中繼續(xù)氧化＋2價(jià)鐵元素 63.6%

【解析】

探究一：A中制取水蒸氣，B中Fe和水蒸氣反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣，C收集氫氣、D用于干燥氫氣，E中氫氣還原CuO；
(1)高溫條件下，Fe和水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣；
(2) 裝置 D有除去H2中的水蒸氣，防止E的玻璃管破裂的作用。
探究二：(3)鐵離子和KSCN反應(yīng)生成絡(luò)合物而使溶液呈血紅色，亞鐵離子和KSCN不反應(yīng)；
亞鐵離子具有還原性，能被酸性高錳酸鉀溶液氧化。

探究三：B中固體（主要成分為Fe3O4和少量Fe）與稀鹽酸反應(yīng)得到的濾液A溶質(zhì)為氯化鐵、氯化亞鐵、過量的稀鹽酸，加入鐵粉還原鐵離子：2Fe3++Fe=3Fe2+，過濾過量的鐵，濾液B的溶質(zhì)為氯化亞鐵，加入氫氧化鈉溶液，生成Fe（OH）2渾濁液，向渾濁液中加入雙氧水氧化：2Fe（OH）2+H2O2=2FeOOH+2H2O，反應(yīng)完成后需再加熱一段時(shí)間除去剩余H2O2，再與氯化亞鐵加熱攪拌發(fā)生反應(yīng)：2FeOOH+Fe2++2OH-Fe3O4+2H2O，過濾、洗滌、干燥得產(chǎn)品Fe3O4，據(jù)此分析解答。

探究一、A中制取水蒸氣、B中Fe和水蒸氣反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣，C收集氫氣、D用于干燥氫氣，E中氫氣還原CuO；
(1)高溫條件下，Fe和水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成四氧化三鐵和氫氣，反應(yīng)方程式為3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2，

因此，本題正確答案是：3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2；

(2) 裝置 D有除去H2中的水蒸氣，防止E的玻璃管破裂的作用，
因此，本題正確答案是：除去H2中的水蒸氣，防止E的玻璃管破裂。
探究二：(3)鐵離子和KSCN反應(yīng)生成絡(luò)合物而使溶液呈血紅色，亞鐵離子和KSCN不反應(yīng)，向溶液中加入KSCN溶液呈紅色，說明含有四氧化三鐵，可能含有Fe；鐵離子和Fe反應(yīng)生成亞鐵離子，不變紅色說明固體中含有四氧化三鐵和Fe，

①根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程試劑A應(yīng)是稀硫酸，亞鐵離子具有還原性，能被酸性高錳酸鉀溶液氧化，所以可以用酸性高錳酸鉀溶液檢驗(yàn)亞鐵離子，現(xiàn)象2為酸性KMnO4溶液褪色，

因此，本題正確答案是：稀硫酸；酸性KMnO4溶液褪色；

②若現(xiàn)象1中溶液未變血紅色，說明B中固體可能有Fe3O4 和Fe，Fe將Fe3+全部還原為Fe2+，
因此，本題正確答案是：B中固體可能有Fe3O4 和Fe，Fe將Fe3+全部還原為Fe2+；

探究三：（4）步驟④中，濁液D中的氫氧化亞鐵與過氧化氫反應(yīng)生成FeOOH，反應(yīng)為：2Fe（OH）2+H2O2=2FeOOH+2H2O；步驟④中，防止其在步驟⑤中繼續(xù)氧化+2價(jià)鐵元素，反應(yīng)完成后需再加熱一段時(shí)間除去剩余H2O2；

因此，本題正確答案是：加熱使其分解除去，防止其在步驟⑤中繼續(xù)氧化＋2價(jià)鐵元素；
（5）設(shè)濁液B中FeOOH的物質(zhì)的量為amol，濾液A中的鐵元素的物質(zhì)的量為bmol。

則濾液A中與FeOOH反應(yīng)的亞鐵離子物質(zhì)的量為(b-a)mol，由圖可知=1.75時(shí)，Fe3O4的產(chǎn)率最高，則=1.75，解得：=0.636；
因此，本題正確答案是：0.636。