Question

某興趣小組在復習鐵的冶煉時，在參考資料上發現以下一段文字：已知在不同的溫度下，CO與鐵的氧化物反應能生成另一種鐵的氧化物（或鐵單質）和CO₂．他們不禁產生了疑問：課本上冊124頁的實驗中，CO與Fe₂O₃反應生成的黑色物質真的是Fe粉嗎？于是他們進行了以下探究．
[查閱資料]
資料一：Fe粉和Fe₃O₄粉末能被磁鐵吸引而FeO（黑色）不能；
資料二：Fe₃O₄中鐵元素有+2、+3兩種化合價，其化學式可用FeO?Fe₂O₃ 的形式表示；
[提出猜想]黑色物質可能是Fe₃O₄、FeO和Fe粉中的一種或幾種．
[進行實驗]興趣小組收集了CO與Fe₂O₃反應生成的黑色物質進行了下列實驗：

	實驗方案	實驗現象
甲	取少量黑色物質用磁鐵吸引	黑色物質全部被磁鐵吸引
乙	取少量黑色物質加入30%熱的鹽酸中	無氣泡、溶液顏色變成黃綠色
丙	取少量黑色物質加入硫酸銅溶液中	無任何現象

[實驗結論]
（1）甲實驗現象說明黑色物質中沒有________，乙、丙實驗現象說明黑色物質中沒有________；
（2）生成的黑色物質應為Fe₃O₄；
（3）寫出黑色粉末和熱的鹽酸反應的化學方程式________；
[拓展探究]同學們對Fe₃O₄產生了興趣，從參考資料中找到了氧化沉淀法生產復印用高檔Fe₃O₄粉的工藝流程簡圖．
[生產流程]

[查閱資料]
資料一：硫酸亞鐵在不同溫度下的溶解度如表所示：

溫度/℃	0	10	30	50	60	70	80	90
溶解度/g	14.0	17.0	25.0	33.0	35.3	33.0	30.5	27.0

資料二：Fe（OH）₂受氧氣氧化反應原理為：4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₃
資料三：獲得Fe₃O₄的反應原理為：Fe（OH）₂+2Fe（OH）₃Fe₃O₄+4H₂O
[問題討論]
（1）溶解時，用50℃至80℃的熱水目的是________．
（2）寫出加入適量NaOH溶液時發生反應的化學方程式________．
（3）上述過程中，要控制“通一定量空氣”的目的是________．
（4）要使四氧化三鐵的產率最高，則上述流程中產生的Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的最佳質量比為________．
（5）副產品P是硫酸鈉，由溶液N獲得該副產品的操作順序是b→________→________→d．
a．過濾　 b．加熱濃縮　　 c．冷卻結晶　　d．晶體加熱至完全失去結晶水
[組成確定]為確定用以上方法制得的四氧化三鐵中可能含有的雜質，同學們又進行了下列實驗探究．
[查閱資料]
資料一：難溶性堿受熱時能分解產生金屬氧化物和水（反應中各種元素的化合價不變）；
資料二：Fe₂O₃和CO反應是隨溫度升高而逐步進行的，先生成Fe₃O₄，再生成FeO（黑色），最后生成Fe；
[提出猜想]Fe₃O₄中可能含有的雜質是Fe₂O₃和FeO中的一種或兩種．
[實驗設計]同學們稱取了23.28g該Fe₃O₄樣品進行了下列實驗：

[實驗分析]因探究思路不同，興趣小組分成甲、乙兩小組．
甲組：
（1）該組同學欲通過B裝置反應前后的質量變化來計算確認該Fe₃O₄樣品中的雜質．
B中的最佳試劑是________（填序號）
①澄清石灰水　　 ②氫氧化鈉濃溶液　 ③稀鹽酸　　　　 ④水
（2）上述實驗過程中，CO氣體除作為反應物外，能起到的作用是：
①實驗開始時，排盡裝置中的空氣，防止________；
②停止加熱后，繼續通CO氣體，防止________，以及B中的溶液倒吸入A中；
在本實驗中，CO氣體還能起到的作用是③________．
（3）尾氣如何處理？________．
乙組：
利用儀器測定并繪制成反應過程中A裝置中玻璃管內的固體質量隨溫度的變化曲線（如圖）

（1）寫出BC段發生反應的化學方程式：________；
（2）通過分析計算確定：該Fe₃O₄樣品中含有的雜質是________．（不需要寫過程）

Answer 1

解：（1）由題意可知，在甲的操作中黑色物質全部被磁鐵吸引．說明了黑色物質中沒有FeO．在乙、丙實驗中，黑色物質不能與鹽酸、硫酸銅反應，說明了黑色物質中沒有Fe；
（3）Fe₃O₄與鹽酸反應生成氯化亞鐵、氯化鐵和水，反應的化學方程式為：Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O；
[問題討論]（1）根據圖表中的信息可知，在50℃至80℃的熱水中，硫酸亞鐵的溶解度較大，利于溶解更多的硫酸亞鐵，提高產率；
（2）氫氧化鈉和硫酸亞鐵反應生成氫氧化亞鐵和硫酸鈉，反應的化學方程式為2NaOH+FeSO₄═Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄；
（3）上述過程中，要控制“通一定量空氣”的目的是控制Fe（OH）₂ 轉化為Fe（OH）₃的量[或防止Fe（OH）₂ 完全轉化為Fe（OH）₃]；
（4）要使四氧化三鐵的產率最高，則上述流程中產生的Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的個數比為1：2，所以最佳質量比為90：214（或45：107）；
（5）根據硫酸鈉晶體的溶解度隨溫度的升高而增大，采用加熱濃縮、冷卻結晶的方法，再過濾，晶體加熱至完全失去結晶水，得到硫酸鈉；操作順序是b→C→a→d；
【實驗分析】甲組：（1）氫氧化鈣的溶解性很小，不能保證把生成的二氧化碳全部吸收；二氧化碳溶解水的能力也不大，不能保證把生成的二氧化碳全部吸收；稀鹽酸和二氧化碳不反應；只有氫氧化鈉溶液保證把生成的二氧化碳全部吸收，故選用氫氧化鈉濃溶液；
（2）上述實驗過程中，CO氣體除作為反應物外，還能起到的作用是：①實驗開始時，排盡裝置中的空氣，防止加熱時發生爆炸；②停止加熱后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；③將裝置中的CO₂送入NaOH溶液中；
（3）CO從B中溶液里逸出時會帶出部分水蒸氣，而影響計算樣品中雜質的質量；
乙組：（1）由資料可知，BC段發生反應的化學方程式：Fe₃O₄+CO3FeO+CO₂；
（2）到700℃時只剩下鐵，即此時氧化鐵被一氧化碳還原為鐵單質．則混合物中鐵元素的質量分數=×100%=72.16%，而Fe₃O₄鐵元素的質量分數=×100%=72.4%；FeO鐵元素的質量分數=×100%≈77.8%；Fe₂O₃鐵元素的質量分數=×100%=70%，所以該Fe₃O₄樣品中含有的雜質是Fe₂O₃ ．
故答為：【實驗結論】（1）FeO，Fe； （3）Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O；
【問題討論】（1）50℃至80℃時FeSO₄的溶解度較大；（2）2NaOH+FeSO₄═Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄；（3）防止Fe（OH）₂被完全氧化；（4）45：107；（5）c，a；
【實驗分析】甲組：（1）②；（2）①防止爆炸； ②防止生成物被氧化； ③讓二氧化碳全部進入B瓶中；（3）點燃
乙組：（1）Fe₃O₄+CO3FeO+CO₂；（2）Fe₂O₃
分析：[實驗結論]（1）根據題意FeO不能被磁鐵吸引分析甲，根據鐵能與鹽酸、硫酸銅反應的性質分析乙、丙；
（3）根據金屬氧化物與鹽酸生鹽和水，寫出反應的方程式；
[問題討論]（1）根據硫酸亞鐵的溶解度與溫度的關系進行解答；
（2）根據堿和鹽反應進行解答；
（3）根據反應條件可以影響反應的產物進行解答；
（4）根據質量守恒定律可知Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的最佳質量比；
（5）根據硫酸鈉的溶解性以及固體物質的分離方法進行解答；
【實驗分析】甲組：（1）根據氫氧化鈉溶液用于吸收二氧化碳進行解答；
（2）根據一氧化碳還原四氧化三鐵的作用進行解答；（3）根據一氧化碳從B裝置中流出要帶走水蒸氣進行解答；
乙組：（1）根據反應進行程度判斷；
（2）根據氧元素的含量進行判斷．
點評：本題考查一氧化碳還原鐵的氧化物的步驟、現象、化學反應式的書寫，以及用不同的方法驗證鐵的存在，需要同學們具有比較全面的化學知識．