Question

某學校研究性學習小組，以某工廠生產過程中產生的廢棄物“紅色鐵泥”為研究對象，探究紅色物質的成分，請你參與他們的活動．
【小組討論】同學們對“鐵泥”中所含紅色物質作了如下猜想：
甲同學：紅色物質是銅                 乙同學：紅色物質是氧化鐵
丙同學：紅色物質是氫氧化鐵           丁同學：紅色物質是氧化鐵和氫氧化鐵
【資料在線】①該廠“紅色鐵泥”主要是生產過程中使用鐵觸媒（一種催化劑）后的廢棄物，除紅色物質外，還含有通常不與酸、堿、氧氣反應及受熱不發生分解的物質； ②氫氧化鐵受熱時，會分解產生氧化鐵和水．
【實驗驗證】為驗證上述四位同學的猜想，小明、小紅兩位同學進行了如下實驗：小明取一定量“紅色鐵泥”樣品，加入稀硫酸，觀察到有黃色溶液產生，于是得出“乙同學的猜想成立”的結論；
小紅同學按下列順序進行實驗：先取適量已曬干的“紅色鐵泥”，稱量其質量為m₁g； 再將“紅色鐵泥”置于坩堝中充分加熱并在干燥器中冷卻后，稱量其質量為m₂g．
【問題討論】請回答下列問題：
（1）其他同學一致認為，小明同學得出的“乙同學的猜想成立”的結論不合理，理由是

 

；
（2）針對小紅同學的實驗操作及測定的兩個數據，進行分析：
①若甲同學的猜想成立，則實驗中反應的化學方程式為

 

；
②若m₁=m₂，則

 

（填“甲”、“乙”或“丙”）同學的猜想成立；
【拓展應用】
應用之一：若“紅色鐵泥”中“紅色物質是氫氧化鐵”，可應用下列實驗方案回收“紅色鐵泥”中的鐵元素制得“鐵紅”（化學式為Fe₂O₃，是紅色油漆的重要原料）：

（1）上述過程中發生了三個反應，寫出其中的一個化學方程式：

 

；
（2）a、b是同一實驗操作，該操作需要的玻璃儀器有：燒杯、玻璃棒和

 

；
（3）若通過上述途徑獲得的“鐵紅”的純度（Fe₂O₃的質量分數）不高，試分析可能的原因

 

 

（說出一點即可）．
應用之二：為了測定用以上方法制得的“鐵紅”的純度，同學們又進行了下列實驗探究．請你參與過程分析與交流．
查閱資料：草酸（乙二酸H₂C₂O₄）在濃H₂SO₄存在下發生下列反應：H₂C₂O₄

濃硫酸

△

CO↑+CO₂↑+H₂O
實驗準備：按右圖安裝好實驗裝置：


實驗數據：取10g“鐵紅”樣品進行實驗，所得實驗數據有右表所示甲、乙兩組：

甲組數據		乙組數據
玻璃管連同樣品的質量		E裝置連同藥品的質量
實驗前	試驗后	實驗前	試驗后
60g	57.6g	100g	107g

分析討論：
（1）同學們擬用純凈的CO還原“鐵紅”，所設計的實驗裝置中B、C盛放的試劑的作用依次是

 

、

 

；
（2）從環保角度看，請你提出改進該實驗裝置的建議

 

；
（3）從實驗安全和實驗操作程序看，首先要檢查裝置的氣密性，實驗開始先加熱

 

（填“A”或“D”）處，實驗結束時，應

 

（填“先”或“后”）停止D處的加熱；
（4）同學們認為，若用乙組數據進行計算“鐵紅”的純度，則實驗測定結果卻偏大，分析造成偏大的原因可能是

 

；
（5）請依據甲組數據，計算該“鐵紅”樣品的純度．（寫出計算的過程）

Answer 1

分析：[問題討論]（1）溶液中Fe³⁺呈黃色，氧化鐵和氫氧化鐵都能和硫酸反應，生成Fe³⁺；
（2）若為銅，則是銅在加熱時與空氣中的氧氣反應；加熱質量不變，說明是氧化鐵；
應用之一：（1）主要有三個反應，氫氧化鐵和鹽酸反應、三氯化鐵和氫氧化鈉反應、氫氧化鐵的加熱分解；
（2）固體和溶液分離，要采用過濾操作；
（3）若純度不高，由元素守恒，可能有損失的鐵，則原因可能為紅褐色固體加熱不充分或操作a得到的溶液X不澄清等；
應用之二：（1）A中反應產物有二氧化碳、一氧化碳、水，在D中要CO還原氧化鐵，并進行成分計算，所以要排除A中產生的二氧化碳和水；
（2）為確保氧化鐵被完全反應，CO過量，有毒不能排放在空氣中，要增添尾氣處理裝置；
（3）CO不純，點燃可能會引起爆炸，應讓CO充滿整個裝置，所以要先讓A中反應發生，結束時為防止鐵被氧化，要繼續通一會CO，所以要先停止D加熱；
（4）裝置與外界空氣相通，氫氧化鈉溶液易吸收空氣中CO₂；
（5）樣品中氧化鐵的質量可由表中甲組數據計算；鐵紅的純度用氧化鐵質量和樣品質量來求．

解答：解：[問題討論]（1）因為氫氧化鐵和氧化鐵都能和硫酸反應，形成黃色的硫酸鐵溶液；
（2）銅能與氧氣加熱反應，而氧化鐵不反應，化學方程式：2Cu+O₂

△   .

2CuO；加熱質量不變，說明沒有銅，故乙同學的猜想正確；
應用之一：（1）氫氧化鐵和鹽酸反應的化學方程式：Fe（OH）₃+3HCl=FeCl₃+3H₂O
（2）因為固體和液體分離要用過濾操作，故答案為：漏斗
（3）純度不高，說明鐵沒有完全轉化到最終產物，可能是氧化鐵加熱不充分，或操作a得到的溶液X不澄清等；
應用之二：（1）A中反應產物有二氧化碳、一氧化碳、水，要凈化、除雜，故裝置的作用是除去一氧化碳中含有的二氧化碳、干燥一氧化碳
（2）CO有毒，過量氣體不能排放在空氣中，應在裝置E后增添尾氣處理裝置（在裝置E后或放一盞燃著的酒精燈；或在裝置E后連接排水法收集氣體的裝置；或在裝置E后套上氣球或氣囊）
（3）CO不純，點燃可能會引起爆炸，還原結束要防止鐵被氧化，所以要先產生一氧化碳，反應后還要繼續通入一氧化碳至裝置冷卻；
（4）空氣中的二氧化碳也一起被E中溶液吸收，所以會造成結果偏大；
（5）可依據化學方程式，利用量差法進行計算．寫出方程并列出相應的已、未知量，得出答案．設樣品中氧化鐵的故答案為：
【問題討論】（1）氫氧化鐵也能和硫酸反應，形成黃色溶液（2）2Cu+O₂

△   .

2CuO  乙
之一：（1）Fe（OH）₃+3HCl=FeCl₃+3H₂O（2）漏斗（3）紅褐色固體加熱不充分（或操作a得到的溶液X不澄清等．只要合理即可）
應用之二：（1）除去一氧化碳中含有的二氧化碳、干燥一氧化碳（2）在裝置E后增添尾
氣處理裝置（在裝置E后或放一盞燃著的酒精燈；或在裝置E后連接排水法收集氣體的裝置；或
在裝置E后套上氣球或氣囊）（3）A、先（4）裝置E中的氫氧化鈉溶液吸收了空氣中的
二氧化碳（每空均1分）
（5）質量為X，由表中甲組數據
   Fe₂O₃～3O
  160     48
   X   （60-57.6）g
160：48=X：（60-57.6）g
解得：X=8g
純度為：

8g

10g

×100%=80%
答：其純度為80%

點評：此題綜合性很強，要根據物質的性質和題目要求，結合相應的實驗操作進行解答，亞鐵離子在溶液中是淺綠色的，鐵離子在溶液中呈現黃色．