Question

【題目】鋼材在社會發展中應用廣泛。為研究某種碳素鋼(含少量碳和硫)的成分，科研小組進行了如下探究活動：稱取碳素鋼(已除表面氧化物)97.50 g放入耐高溫反應管中與O2反應，除去未反應的O2，收集到干燥混合氣體X 1.12 L(已折算成標準狀況下的體積)。

(1)碳素鋼屬于___________材料(填標號)

A．有機高分子材料 B．金屬材料 C．無機非金屬材料 D．復合材料

(2)科研小組用下圖所示實驗裝置檢驗混合氣體X的組成。

①裝置B中的試劑是______________，裝置C的作用是______________。

②若觀察到_________________(填實驗現象)，證明X中含有CO。

(3)反應后，耐高溫反應管內固體中除含有Fe3＋之外，還可能含有Fe2＋。要確定其中的Fe2＋，可選用________(填序號)。

a．稀H2SO4和KMnO4溶液 b．KSCN溶液和鐵粉

c．稀鹽酸和K3[Fe(CN)6]溶液 d．KSCN溶液和氯水

(4)科研小組用下圖所示裝置(部分)測定SO2的體積分數，并計算碳素鋼的含碳量。將氣體X 緩慢通過實驗裝置，當觀察到___________________(填實驗現象)時，停止通氣，此時氣體流量儀顯示的流量為224 mL(已換算成標準狀況下的體積)。裝置Ⅲ中的化學反應方程式為________________，碳素鋼中碳元素的質量分數為_________(保留1位小數)。

Answer 1

【答案】B 品紅溶液 驗證X中是否含有CO2 E中黑色固體逐漸變紅，F中澄清石灰水變渾濁 ac Ⅲ中溶液由藍色突變為無色 SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI 0.6%

【解析】

碳素鋼是鐵合金，屬于金屬材料，主要成分是Fe，其中含有的雜質主要是C、S將其高溫煅燒，Fe變為鐵的氧化物，其中的雜質C可能被氧化為CO2、CO，S被氧化產生SO2，用A裝置中酸性高錳酸鉀溶液氧化SO2產生硫酸除去SO2，再用B的品紅溶液來檢驗SO2是否除凈，然后通過裝置C檢驗CO2的產生，然后經過裝置D除去未反應的CO2，并對氣體進行干燥，利用CO的還原性：CO+CuOCO2+Cu，可根據E裝置中固體顏色的變化及F中石灰水檢驗CO的產生；根據碘單質與SO2的關系式SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI，計算SO2的體積，再根據二氧化硫的體積可計算出一氧化碳和二氧化碳的體積，最后根據碳守恒從而解答碳元素的質量分數。

(1)碳素鋼是鐵合金，屬于金屬材料，故合理選項是B；

(2)①SO2和CO2都能使澄清石灰水變渾濁，但SO2具有漂白性，能使品紅溶液褪色，所以要檢驗CO2必須先排除SO2的干擾，B裝置是檢驗SO2是否除盡，要用品紅溶液，裝置C的作用是驗證X中是否含有CO2；

②裝置D中堿石灰作用是吸收產生的CO2，圖中裝置E中有黑色的CuO粉末，可以用來檢驗是否有CO，若X中含有CO，E中會發生反應：CO+CuOCO2+Cu，反應產生的Cu單質為紅色，生成的二氧化碳氣體通入F中，能夠使澄清石灰水變渾濁，所以可根據E中黑色固體逐漸變紅色，F中澄清石灰水變渾濁來證明X中含有CO；

(3)要確定是否含Fe2+，首先選擇非氧化性酸將固體溶解；Fe2+具有還原性，能還原酸性高錳酸鉀溶液而使其褪色；另外，Fe2+也可與K3[Fe(CN)6]反應產生藍色沉淀，來確定固體中是否含有Fe2＋，故選用試劑序號為ac；

(4)由題意，X氣體中含有二氧化硫，二氧化硫具有還原性，碘單質具有氧化性，兩者反應：SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI，I2遇淀粉會變藍，若恰好反應完全，即Ⅲ中無碘單質，此時溶液恰好由藍色突變為無色；根據方程式可知關系式：SO2～I2，所以n(SO2)=n(I2)=25×10-3L×0.01 mol/L=2.5×10-4mol，則SO2的體積分數：(2.5×10-4mol×22.4 L/mol)÷0.224 L×100%=2.5%，由于氣體X總體積為1.12 L，則原氣體中含有CO和CO2的體積1.12 L×(1-2.5%)=1.092 L，根據C元素守恒可知n(C)==0.04875 mol，m(C)= 0.04875 mol×12 g/mol=0.585 g，所以該碳素鋼中碳元素的質量分數為：×100%=6%。