Question

早在春秋战国时期，我国就开始生产和使用铁器．工业炼铁把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来．一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为：

 

．其中，石灰石起作用

 

．
某化学兴趣小组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究．
【提出问题】单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为

 

．为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？
【猜想与假设】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全．
【进行实验】实验步骤及注意事项如下：
①称取两份相同质量的氧化铁粉末．一份与足量的碳粉均匀混合放入图1装置A的试管中；另一份放入图1装置B的玻璃管中．

②图1装置A和B两组实验同时开始进行．在图1装置B的反应中，实验开始前应先

 

（选填“通CO”或“加热”）； 实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是

 

．
【实验现象】当图1装置B的玻璃管中固体完全由

 

时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），图1装置A的试管中仍有

 

．
【解释与结论】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因．
【完善实验】联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生．为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，将该气体通过图2的检验装置．图2A装置中的试剂是（写名称，下同）

 

，图2B装置中的试剂是氢氧化钠溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O ）；证明原混合气体中CO₂存在的实验现象是

 

；证明原混合气体中CO存在的实验现象是

 

；经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO₂，因此图1装置A的不足之处是

 

．
【拓展延伸】要炼出含铁96%的生铁4000t，至少需要含氧化铁80%的赤铁矿石的质量是多少？（请写出详细的计算过程，结果保留一位小数）

Answer 1

考点：铁的冶炼,常见气体的检验与除杂方法,一氧化碳还原氧化铁,含杂质物质的化学反应的有关计算,碳的化学性质

专题：金属与金属材料

分析：根据书写化学方程式的步骤：写配注等，正确写出方程式；在炼铁中石灰石起作用是将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去；
【提出问题】熟记碳还原氧化铁的化学反应式；
【进行实验】②根据可燃性气体与空气混合加热时有爆炸的危险考虑；
【实验现象】根据氧化铁是红色，铁粉是黑色分析判断现象；
【完善实验】根据澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体考虑；
【拓展延伸】将不纯物的质量换算为纯净物的质量，然后根据化学方程式进行计算．

解答：解：根据书写化学方程式的步骤，炼铁原理的化学方程式为：Fe₂O₃+3CO

高温  .

2Fe+3CO₂ ；在炼铁中石灰石起作用是将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去；
【提出问题】碳与氧化铁在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳；
【进行实验】为防止一氧化碳与空气混合加热时，引起爆炸，在实验前要先通入CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化，实验结束后，应继续通入CO直至冷却至室温；
【实验现象】因氧化铁是红色，铁粉是黑色，B中的氧化铁被完全还原后，由红色变成黑色．此时由于A中的氧化铁还没有被完全还原，仍有红色物质；
【完善实验】为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体，所以先用图2中的A检验二氧化碳的存在，为防止二氧化碳影响实验的结论，再用图2中的B中的氢氧化钠溶液吸收二氧化碳，连接图2中的C，如果氧化铜由黑色变成红色，图2D中的澄清石灰水变浑浊，说明有一氧化碳气体．因有一氧化碳存在，要进行尾气处理，而图中缺少此装置；
【拓展延伸】设至少需要含氧化铁80%的赤铁矿石的质量是x．
3CO+Fe₂O₃

高温  .

 2Fe+3CO₂
    160         112
    80% x     4000t×96%

160

112

=

80%x

4000t×96%

x=6857.1t
答：至少需要含氧化铁80%的赤铁矿石6857.1t．
故答案为：3CO+Fe₂O₃

高温  .

2Fe+3CO₂；将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的；
【提出问题】3C+2Fe₂O₃

高温  .

4Fe+3CO₂↑；
【进行实验】通CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化；
【实验现象】红色变为黑色；红色物质；
【完善实验】澄清的石灰水；石灰水变浑浊；黑色粉末变成红色；缺少尾气处理装置；
【拓展延伸】6857.1t．

点评：本题以实验探究的形式考查化学反应式的书写、实验中的注意事项、以及不用碳还原氧化铁的原因，还有相关的拓展实验，可谓考查详尽，即考查了知识，又培养了学生的细心、耐心分析解决问题的能力．利用化学方程式进行计算时，所使用物质的质量均为纯净物的质量，因此解答此题时需要明确生铁与铁、赤铁矿与氧化铁的关系．