Question

【題目】某研究性學習小組請你參與“研究鐵與水蒸氣反應所得固體物質的成分、性質及再利用”實驗探究，并回答下列問題：

探究一：設計如圖所示裝置進行“鐵與水蒸氣反應”的實驗(夾持儀器略) 。

（1）硬質玻璃管 B 中發生反應的化學方程式為：________________________________。

（2）裝置 D的作用是_______________________。

探究二：設計如下實驗方案確定反應后硬質玻璃管B 中黑色固體的成分（已知酸性KMnO4溶液能與鹽酸發生反應）。

（3）待硬質玻璃管 B 冷卻后，取少許其中的固體物質繼續進行如下實驗：

①試劑A是________，現象2為___________________ 。

②若現象1中溶液未變血紅色，請從硬質玻璃管B中固體物質的成分分析可能的原因：________________________________________________________________________。

探究三：某學習小組設計用硬質玻璃管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，相同條件下測得Fe3O4的產率與的關系如下圖所示。

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

（5）設濁液B中FeOOH的物質的量為amol，濾液A中的鐵元素的物質的量為bmol。為使Fe3O4的產率最高，則＝_________。（填數值，保留3位有效數字）

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中繼續氧化＋2價鐵元素 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和水蒸氣發生氧化還原反應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反應生成絡合物而使溶液呈血紅色，亞鐵離子和KSCN不反應；
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）與稀鹽酸反應得到的濾液A溶質為氯化鐵、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，反應完成后需再加熱一段時間除去剩余H2O2，再與氯化亞鐵加熱攪拌發生反應：2FeOOH+Fe2++2OH-Fe3O4+2H2O，過濾、洗滌、干燥得產品Fe3O4，據此分析解答。

探究一、A中制取水蒸氣、B中Fe和水蒸氣反應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和水蒸氣發生氧化還原反應生成四氧化三鐵和氫氣，反應方程式為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反應生成絡合物而使溶液呈血紅色，亞鐵離子和KSCN不反應，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根據實驗流程試劑A應是稀硫酸，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亞鐵離子，現象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生成FeOOH，反應為：2Fe（OH）2+H2O2=2FeOOH+2H2O；步驟④中，防止其在步驟⑤中繼續氧化+2價鐵元素，反應完成后需再加熱一段時間除去剩余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中繼續氧化＋2價鐵元素；
（5）設濁液B中FeOOH的物質的量為amol，濾液A中的鐵元素的物質的量為bmol。

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