Question

19．一氧化碳還原氧化鐵的實驗過程中固體產物可能有四氧化三鐵、氧化亞鐵（黑色）、鐵．
實驗一：某化學興趣小組的同學設計了如圖1所示的實驗裝置測定某赤鐵礦樣品中Fe₂O₃的質量分數．
他們稱取l0.0g赤鐵礦，當赤鈦礦中的Fe₂O₃全部還原為Fe時，剩余固體在CO的保護下冷卻、稱量，質量為7.6g（假設赤鐵礦中的雜質均不與CO反應）．

（1）實驗過程中可觀察到的現象是紅色粉末變為黑色，澄清石灰水變渾濁；
（2）實驗結束時繼續通入一氧化碳的目的是防止生成的鐵被空氣中的氧氣氧化；
（3）該赤鐵礦中Fe₂O₃的質量分數為80%；
實驗二：在鋼鐵廠的實驗室，同學們采集了用某種熱分析儀記錄的CO與Fe₂O₃進行反應時的有關數據，并得到固體質量與反應溫度的關系曲線，如圖2所示：
（4）根據圖象分析寫出P點時固體成分的化學式Fe；
（5）固體質量由48.0g變為46.4g的過程中發生反應的化學方程式為3Fe₂O₃ +CO$\frac{\underline{\;400-500℃\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；．

Answer 1

分析 （1）根據一氧化碳和氧化鐵反應生成鐵和二氧化碳，二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁進行解答；
（2）實驗結束后應先停止加熱，待玻璃管冷卻后再停止通一氧化碳氣體．若這兩個操作次序顛倒了，生成的鐵被空氣中的氧氣氧化．
（3）根據反應前后質量變化利用質量差法分析Fe₂O₃的質量，進而計算該赤鐵礦中Fe₂O₃的質量分數；
（4）根據氧化性：Fe₂O₃＞Fe₃O₄＞FeO判斷與CO反應的先后順序，然后判斷反應溫度800℃（P點）時殘留固體的成分；
（5）根據氧化性順序及溫度判斷固體質量由48.0g變為46.4g時參加反應的物質，然后寫出反應的化學方程式

解答 解：（1）一氧化碳和氧化鐵反應生成鐵和二氧化碳，所以圖中玻璃管處實驗現象是紅色粉末變為黑色，二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁，試管處實驗現象是澄清石灰水變渾濁．故填：紅色粉末變為黑色，澄清石灰水變渾濁．
（2）實驗結束后繼續通入一氧化碳到玻璃管冷卻，目的是防止生成的鐵被空氣中的氧氣氧化；故填：防止生成的鐵被空氣中的氧氣氧化；
（3）設該赤鐵礦中Fe₂O₃的質量為x
Fe₂O₃ +3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，質量減少
160            112       160-112=48
x                        l0.0g-7.6g=2.4g
$\frac{160}{x}=\frac{48}{2.4g}$
x=8g
該赤鐵礦中Fe₂O₃的質量分數為$\frac{8g}{10g}$×100%=80%；故填：80%；
（4）根據氧化性Fe₂O₃＞Fe₃O₄＞FeO可知，與CO發生反應時，Fe₂O₃優先反應，然后Fe₃O₄反應，最后FeO反應，根據圖象曲線可知，加熱到800℃時三種氧化物反應完全，此時固體為Fe，
故答案為：Fe；
（5）固體質量由48.0g變為46.4g時，對應溫度為400-500℃，此時Fe₂O₃與CO反應，根據氧化性Fe₂O₃＞Fe₃O₄＞FeO可知，與CO發生反應時．失去氧48g-46.4=1.6g
氧化鐵中氧元素為48*48/160=14.4g，鐵元素質量=48-14.4g=33.6g
殘余固體中氧元素質量=14.4g-1.6g=12.8g
鐵氧原子個數比=（33.6/56）：（12.8/16）=3：4，所以此時還原產物為Fe₃O₄
對應方程式3Fe₂O₃ +CO$\frac{\underline{\;400-500℃\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；
故填：3Fe₂O₃ +CO$\frac{\underline{\;400-500℃\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；

點評 本題考查了金屬的冶煉、鐵及其氧化物的性質等知識，題目難度較大，注意掌握常見金屬單質及其化合物性質．