Question

5．某Fe₃O₄样品中可能含有的杂质是Fe₂O₃和FeO其中的一种．为探究杂质的情况设计如下方案：
【实验设计】同学们称取了23.28g该Fe₃O₄样品用图①进行了下列实验：

【实验分析】因探究思路不同，兴趣小组分成甲、乙、丙三个讨论小组．
甲组；
（1）该组同学欲通过B装置反应前后的质量变化来计算确认该Fe₃O₄样品中的杂质．B中的最佳试剂是②（填序号）．
①澄清石灰水    ②氢氧化钠浓溶液      ③稀盐酸    ④水
（2）上述实验过程中，CO的作用有①②③④⑤（填序号）．
①CO气体作为反应物
②实验开始时，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸
③停止加热后，防止A中生成物被氧化
④停止加热后防止B中的溶液倒吸入A中
⑤对B中反应物起到一定的搅拌作用，便于CO₂与反应液充分接触而反应乙组：
（3）乙组同学认为B装置反应前后的质量差会偏小而影响计算、分析，你认为他们的理由是CO从B中溶液里逸出时会带出部分水蒸气；改进为在B装置后接一盛有浓硫酸（填试剂名称）的广口瓶的吸水装置，将B装置和该装置“捆绑”称量，从而减小误差．
丙组：
（4）丙组同学将B装置中液体改换为Ba（OH）₂溶液，通过测量生成的BaCO₃（填化学式）沉淀的质量来计算求解．为了获得沉淀，该组同学需要进行的操作有过滤→洗涤→干燥→称量．
【查阅资料】
Fe₂Oa和CO反应是随温度升高而逐步进行的，先生成Fe₃O₄，再生成FeO（黑色），最后生成Fe；利用仪器测定并绘制成反应过程中A装置中玻璃管内的固体质量随温度的变化曲线（见图②）．
（5）写出BC段发生反应的化学方程式：Fe₃O₄+CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3FeO+CO₂．
（6）确定该Fe₃O₄样品中含有的杂质是Fe₂O₃，其中含Fe₃O₄的质量是20.88gg（不需要写出过程）
（已知Fe₃O₄、FeO、Fe₂O₃中铁元素的质量分数分别为72.4%、77.8%、70.0%）．

Answer 1

分析 【实验分析】甲组：（1）根据氢氧化钠溶液用于吸收二氧化碳进行解答；
（2）根据一氧化碳还原四氧化三铁的作用进行解答；
乙组：根据一氧化碳从B装置中流出要带走水蒸气进行解答；
丙组：据二氧化碳与氢氧化钡反应生成碳酸钡沉淀考虑；
【查阅资料】
（1）根据反应进行程度判断；
（2）根据氧元素的含量进行判断．

解答 解：【实验分析】甲组：（1）氢氧化钙的溶解性很小，不能保证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，不能保证把生成的二氧化碳全部吸收；稀盐酸和二氧化碳不反应；只有氢氧化钠溶液保证把生成的二氧化碳全部吸收，故选用氢氧化钠浓溶液；
（2）上述实验过程中，CO气体除作为反应物外，还能起到的作用是：实验开始时，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸；停止加热后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；将装置中的CO₂送入NaOH溶液中；对B中反应物起到一定的搅拌作用，便于CO₂与反应液充分接触而反，故答案为：①②③④⑤；
乙组：CO从B中溶液里逸出时会带出部分水蒸气，而影响计算样品中杂质的质量；浓硫酸具有吸水性，可作干燥剂；
丙组：二氧化碳与氢氧化钡反应生成碳酸钡沉淀；为获得纯净的碳酸钡可进行以下操作：过滤→洗涤→干燥→称量；
【查阅资料】
（1）BC段发生反应的化学方程式：Fe₃O₄+CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3FeO+CO₂；
（2）到700℃时只剩下铁，即此时氧化铁被一氧化碳还原为铁单质．
则混合物中铁元素的质量分数是：$\frac{16.8g}{23.28g}$×100%=72.16%
而Fe₃O₄铁元素的质量分数是：$\frac{56×3}{56×3+16×4}$×100%=72.4%
FeO铁元素的质量分数是：$\frac{56}{56+16}$×100%≈77.8%
Fe₂O₃铁元素的质量分数是：$\frac{56×2}{56×2+16×3}$×100%=70%
所以该Fe₃O₄样品中含有的杂质是Fe₂O₃．
设混合物中含Fe₃O₄的质量为x．x×$\frac{56×3}{56×3+16×4}$×100%+（23.28-x）×$\frac{56×2}{56×2+16×3}$×100%=16.80g
解得：x=20.88g．
故答案为：（1）②
（2）①②③④⑤
（3）乙组：CO从B中溶液里逸出时会带出部分水蒸气，浓硫酸；
（4）BaCO₃，洗涤，干燥；
（3）Fe₃O₄+CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3FeO+CO₂，Fe₂O₃，20.88g．

点评 本题考查一氧化碳还原铁的氧化物的步骤、现象、化学反应式的书写，以及用不同的方法验证铁的存在，需要同学们具有比较全面的化学知识．