Question

為了測定實驗室某生銹鐵片中鐵元素的質量分數，兩位同學分別設計了如下甲、乙兩個實驗方案．

方案甲：稱得生銹鐵片的質量為m₁g，按圖Ⅰ所示裝置進行實驗．完全反應后，測得室溫下產生氫氣的體積為V₁L，查得其密度為ρg/L．
方案乙：稱得生銹鐵片的質量為m₂g，先按圖Ⅱ所示裝置進行實驗．當生銹鐵片完全變成光亮的銀白色時，停止加熱，繼續通入CO至室溫．取出鐵片，按圖Ⅰ所示裝置繼續進行實驗．完全反應后，測得室溫下產生氫氣的體積為V₂L，查得其密度為ρg/L．
（1）【評價交流】有同學分析甲方案即使讀數準確也不可行，你認為其缺陷是：______．
（2）【設計實驗】方案乙中，同學們設計了如下實驗報告，請幫助完成．

實驗編號	實驗步驟	實驗現象	解釋或化學方程式
①裝置Ⅱ	通入CO，加熱．完全反應后，停止加熱，繼續通CO至室溫	生銹鐵片變成光亮的銀白色	反應結束后，還要繼續通CO至室溫的目的是______．
②裝置Ⅰ	將光亮鐵片放入稀鹽酸中，完全反應	溶液顏色由無色變成淺綠色，有氣泡放出	化學方程式：______

（3）【提出問題】圖 II所示裝置是否有可改進之處？請簡要敘述具體改進意見：______
（4）【結論】生銹鐵片中鐵元素的質量分數是______（用字母表示）

Answer 1

解：（1）由于生銹鐵片中除了鐵、鐵的化合物之外還含有水分等不含鐵元素的物質，所以方案甲中根據計算只能得出鐵片中金屬鐵的質量，而無法知道鐵的化合物的質量；
（2）①當實驗結束時，要繼續通一氧化碳，防止被還原的鐵片在高溫下又重新被氧化或玻璃管冷卻會導致里面的壓強減小，從而試管內的水會倒吸到玻璃管內；
②由于鐵能夠和稀鹽酸反應生成氫氣，該反應的化學方程式為：Fe+2HCl═FeCl₂+H₂↑；
（3）由于二氧化碳是造成溫室效應的主要氣體，而一氧化碳有毒，排放到空氣中會造成空氣污染，因此必須對這兩種氣體進行處理，改進方法為：將E中液體改為氫氧化鈉溶液，將E的導出管口處點燃導出氣體（或在E的導出管口處扎上一個氣球）；
（4）根據質量守恒定律可知，和稀鹽酸反應的鐵的質量即為生銹鐵片中鐵元素的質量，
設生銹鐵片中鐵元素的質量為x．
Fe+2HCl═FeCl₂+H₂↑
56 2
x ρ₂v₂
=
x=28p₂V₂
則生銹鐵片中鐵元素的質量分數為×100%=2800ρ₂V₂/m₂%．
故答案：（1）甲方案只能測出鐵單質的質量，不能測出鐵元素的質量；
（2）①防止鐵片在高溫下又被氧化或防止倒吸； ②Fe+2HCl═FeCl₂+H₂↑；
（3）是，將E中液體改為氫氧化鈉溶液，將E的導出管口處點燃導出氣體（或在E的導出管口處扎上一個氣球）；
（4）2800ρ₂V₂/m₂%．
分析：由于生銹鐵片中除了鐵、鐵的化合物之外還含有水分等不含鐵元素的物質，由于方案甲中根據計算只能得出鐵片中金屬鐵的質量，無法計算出鐵的氧化物的質量，也就無法計算出鐵元素的總質量；而乙首先利用還原劑把鐵的化合物中的鐵元素全部變成了金屬鐵，然后根據生成的氫氣的質量就可求出參與反應的金屬鐵的質量即生銹鐵片中鐵元素的總質量．
點評：本題難度較大，主要考查了鐵的冶煉、鐵的有關化學性質及質量守恒定律的應用并對實驗的方案進行評價，能夠培養學生的分析問題、解決問題的能力．