Question

某興趣小組在復(fù)習(xí)鐵的冶煉時(shí)，在參考資料上發(fā)現(xiàn)以下一段文字：已知在不同的溫度下，CO與鐵的氧化物反應(yīng)能生成另一種鐵的氧化物（或鐵單質(zhì)）和CO₂．他們不禁產(chǎn)生了疑問：課本上冊(cè)124頁的實(shí)驗(yàn)中，CO與Fe₂O₃反應(yīng)生成的黑色物質(zhì)真的是Fe粉嗎？于是他們進(jìn)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(jià)，其化學(xué)式可用FeO?Fe₂O₃ 的形式表示；
[提出猜想]黑色物質(zhì)可能是Fe₃O₄、FeO和Fe粉中的一種或幾種．
[進(jìn)行實(shí)驗(yàn)]興趣小組收集了CO與Fe₂O₃反應(yīng)生成的黑色物質(zhì)進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)：

	實(shí)驗(yàn)方案	實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
甲	取少量黑色物質(zhì)用磁鐵吸引	黑色物質(zhì)全部被磁鐵吸引
乙	取少量黑色物質(zhì)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(zhì)加入硫酸銅溶液中	無任何現(xiàn)象

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]
（1）甲實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明黑色物質(zhì)中沒有

FeO

，乙、丙實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明黑色物質(zhì)中沒有

Fe

；
（2）生成的黑色物質(zhì)應(yīng)為Fe₃O₄；
（3）寫出黑色粉末和熱的鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式

Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O

；
[拓展探究]同學(xué)們對(duì)Fe₃O₄產(chǎn)生了興趣，從參考資料中找到了氧化沉淀法生產(chǎn)復(fù)印用高檔Fe₃O₄粉的工藝流程簡(jiǎn)圖．
[生產(chǎn)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(yīng)原理為：4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₃
資料三：獲得Fe₃O₄的反應(yīng)原理為：Fe（OH）₂+2Fe（OH）₃

△   .

Fe₃O₄+4H₂O
[問題討論]
（1）溶解時(shí)，用50℃至80℃的熱水目的是

在50℃～80℃時(shí)，硫酸亞鐵的溶解度較大，有利于溶解的更多，提高產(chǎn)率

．
（2）寫出加入適量NaOH溶液時(shí)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式

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(zhuǎn)化為Fe（OH）₃的量

．
（4）要使四氧化三鐵的產(chǎn)率最高，則上述流程中產(chǎn)生的Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的最佳質(zhì)量比為

90：214

．
（5）副產(chǎn)品P是硫酸鈉，由溶液N獲得該副產(chǎn)品的操作順序是b→

c

→

a

→d．
a．過濾   b．加熱濃縮     c．冷卻結(jié)晶    d．晶體加熱至完全失去結(jié)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(zhì)，同學(xué)們又進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)探究．
[查閱資料]
資料一：難溶性堿受熱時(shí)能分解產(chǎn)生金屬氧化物和水（反應(yīng)中各種元素的化合價(jià)不變）；
資料二：Fe₂O₃和CO反應(yīng)是隨溫度升高而逐步進(jìn)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(zhì)是Fe₂O₃和FeO中的一種或兩種．
[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]同學(xué)們稱取了23.28g該Fe₃O₄樣品進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)：

[實(shí)驗(yàn)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(xué)欲通過B裝置反應(yīng)前后的質(zhì)量變化來計(jì)算確認(rèn)該Fe₃O₄樣品中的雜質(zhì)．
B中的最佳試劑是

②

（填序號(hào)）
①澄清石灰水     ②氫氧化鈉濃溶液    ③稀鹽酸         ④水
（2）上述實(shí)驗(yàn)過程中，CO氣體除作為反應(yīng)物外，能起到的作用是：
①實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，排盡裝置中的空氣，防止

防止爆炸

；
②停止加熱后，繼續(xù)通CO氣體，防止

防止生成物被氧化

，以及B中的溶液倒吸入A中；
在本實(shí)驗(yàn)中，CO氣體還能起到的作用是③

讓二氧化碳全部進(jìn)入B瓶中

．
（3）尾氣如何處理？

點(diǎn)燃

．
乙組：
利用儀器測(cè)定并繪制成反應(yīng)過程中A裝置中玻璃管內(nèi)的固體質(zhì)量隨溫度的變化曲線（如圖）

（1）寫出BC段發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：

Fe₃O₄+CO

高溫  .

3FeO+CO₂

；
（2）通過分析計(jì)算確定：該Fe₃O₄樣品中含有的雜質(zhì)是

Fe₂O₃

．（不需要寫過程）

Answer 1

分析：[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]（1）根據(jù)題意FeO不能被磁鐵吸引分析甲，根據(jù)鐵能與鹽酸、硫酸銅反應(yīng)的性質(zhì)分析乙、丙；
（3）根據(jù)金屬氧化物與鹽酸生鹽和水，寫出反應(yīng)的方程式；
[問題討論]（1）根據(jù)硫酸亞鐵的溶解度與溫度的關(guān)系進(jìn)行解答；
（2）根據(jù)堿和鹽反應(yīng)進(jìn)行解答；
（3）根據(jù)反應(yīng)條件可以影響反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行解答；
（4）根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的最佳質(zhì)量比；
（5）根據(jù)硫酸鈉的溶解性以及固體物質(zhì)的分離方法進(jìn)行解答；
【實(shí)驗(yàn)分析】甲組：（1）根據(jù)氫氧化鈉溶液用于吸收二氧化碳進(jìn)行解答；
（2）根據(jù)一氧化碳還原四氧化三鐵的作用進(jìn)行解答；（3）根據(jù)一氧化碳從B裝置中流出要帶走水蒸氣進(jìn)行解答；
乙組：（1）根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行程度判斷；
（2）根據(jù)氧元素的含量進(jìn)行判斷．

解答：解：（1）由題意可知，在甲的操作中黑色物質(zhì)全部被磁鐵吸引．說明了黑色物質(zhì)中沒有FeO．在乙、丙實(shí)驗(yàn)中，黑色物質(zhì)不能與鹽酸、硫酸銅反應(yīng)，說明了黑色物質(zhì)中沒有Fe；
（3）Fe₃O₄與鹽酸反應(yīng)生成氯化亞鐵、氯化鐵和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O；
[問題討論]（1）根據(jù)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(chǎn)率；
（2）氫氧化鈉和硫酸亞鐵反應(yīng)生成氫氧化亞鐵和硫酸鈉，反應(yīng)的化學(xué)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(zhuǎn)化為Fe（OH）₃的量[或防止Fe（OH）₂ 完全轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃]；
（4）要使四氧化三鐵的產(chǎn)率最高，則上述流程中產(chǎn)生的Fe（OH）₂和Fe（OH）₃的個(gè)數(shù)比為1：2，所以最佳質(zhì)量比為90：214（或45：107）；
（5）根據(jù)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(jié)晶的方法，再過濾，晶體加熱至完全失去結(jié)晶水，得到硫酸鈉；操作順序是b→C→a→d；
【實(shí)驗(yàn)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(yīng)；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(shí)驗(yàn)過程中，CO氣體除作為反應(yīng)物外，還能起到的作用是：①實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，排盡裝置中的空氣，防止加熱時(shí)發(fā)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(shí)會(huì)帶出部分水蒸氣，而影響計(jì)算樣品中雜質(zhì)的質(zhì)量；
乙組：（1）由資料可知，BC段發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：Fe₃O₄+CO

高溫  .

3FeO+CO₂；
（2）到700℃時(shí)只剩下鐵，即此時(shí)氧化鐵被一氧化碳還原為鐵單質(zhì)．則混合物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=

16.80g

23.28g

×100%=72.16%，而Fe₃O₄鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=

56×3

56×3+16×4

×100%=72.4%；FeO鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=

56

56+16

×100%≈77.8%；Fe₂O₃鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=

56×2

56×2+16×3

×100%=70%，所以該Fe₃O₄樣品中含有的雜質(zhì)是Fe₂O₃ ．
故答為：【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】（1）FeO，F(xiàn)e；  （3）Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O；
【問題討論】（1）50℃至80℃時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)入B瓶中；（3）點(diǎn)燃
乙組：（1）Fe₃O₄+CO

高溫  .

3FeO+CO₂；（2）Fe₂O₃

點(diǎn)評(píng)：本題考查一氧化碳還原鐵的氧化物的步驟、現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)式的書寫，以及用不同的方法驗(yàn)證鐵的存在，需要同學(xué)們具有比較全面的化學(xué)知識(shí)．