Question

11．善于提出问题、探究问题和解决问题是学好化学的重要方法，某研究性学习小组的同学在学习铁及其化合物知识时进行了系列研究．

【提出问题】
问题1：铁为何称为黑色金属？
问题2：铁和氧气在不同条件下能发生哪些反应？
问题3：铁有多种氧化物，它们的性质有哪些差异？
问题4：钢铁厂在选矿时，如何测定铁矿石中的含铁量？
问题5：用一氧化碳还原氧化铁得到的黑色固体一定是单质铁吗？
Ⅱ．解决问题
【问题1】上网查寻，有两种说法
a．因为在铁表面有黑色的铁的氧化物，所以叫黑色金属
b．因为铁的粉末为黑色，铁的氧化物也均为黑色，所以叫黑色金属
（1）你认为正确的说法是a（填“a”或“b”）
【问题2】通过学习，已经知道铁丝在潮湿的空气中能生锈，也能在纯氧中燃烧．
（2）请写出一种防止钢铁生锈的方法刷漆；
（3）请写出铁丝在纯氧中燃烧的化学方程式3Fe+2O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$Fe₃O₄．
【问题3】查阅资料：a．铁常见的氧化物有氧化铁（Fe₂O₃）、四氧化三铁（Fe₃O₄）和氧化亚铁（FeO）．
b．四氧化三铁是具有磁性的黑色晶体，可以近似地看怍是氧化亚铁和氧化铁的化合物．它不溶于水，能与酸反应生成两种盐．
c．氧化亚铁是不溶于水的黑色粉末，能与酸反应，无磁性，也不能被磁铁吸引．
（4）请写出四氧化三铁与盐酸反应的化学方程式Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O．
【问题4】同学们参观了某钢铁厂，了解到钢铁厂在选矿时测定铁矿石中含铁量的方法较多，小明结合所学知识，设计了如图1所示的实验装置测定某赤铁矿样品中Fe₂0₃的质量分数．他称取l0.0g赤铁矿，当赤铁矿中的Fe₂O₃全部还原为Fe时，剩余固体在CO的保护下冷却、称量．质量为7.6g（假设赤铁矿中的杂质均不与CO反应）．
（5）图中酒精灯的作用是将多余的CO气体通过燃烧除掉，防止空气的污染．
（6）该赤铁矿中Fe₂0₃的质量分数为80%（列出计算过程）．
【问题5】在钢铁厂的实验室．同学们采集了用某种热分析仪记录的C0与Fe₂0₃进行反应时的有关数据，并得到固体质量与反应温度的关系曲线．如图2所示．
（7）根据图象分析，写出P点时固体成分的化学式Fe．固体质量由48.0g变为46.4g的过程中发生反应的化学方程式为3Fe₂O₃ +CO$\frac{\underline{\;400_500℃\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂．

Answer 1

分析 （1）铁是在高温下炼制成，高温下会和空气中的氧气反应生成四氧化三铁或氧化亚铁，颜色都是黑色氧化物，氧化铁是红色氧化物，常温下缓慢氧化或电化腐蚀生成得到，氧化铁为红色，四氧化三铁为黑色；
（2）防止铁生锈就是使铁与水或氧气隔绝；
（3）首先根据反应原理找出反应物、生成物、反应条件，根据化学方程式的书写方法、步骤进行书写即可；
（4）四氧化三铁是具有磁性的黑色晶体，可以近似地看怍是氧化亚铁和氧化铁的化合物．能与酸反应生成铁盐和亚铁盐；
（5）根据一氧化碳有毒分析；
（6）根据反应前后质量变化利用质量差法分析Fe₂0₃的质量，进而计算该赤铁矿中Fe₂0₃的质量分数；
（7）根据氧化性：Fe₂O₃＞Fe₃O₄＞FeO判断与CO反应的先后顺序，然后判断反应温度800℃（P点）时残留固体的成分；根据氧化性顺序及温度判断固体质量由48.0g变为46.4g时参加反应的物质，然后写出反应的化学方程式．

解答 解：（1）由于氧化铁为红色，四氧化三铁为黑色，则b的说法不正确，a说法正确．故填：a；
（2）防止铁生锈就是使铁与水或氧气隔绝，可以采用涂油或刷漆的方法．故填：刷漆；
（3）铁丝在氧气中燃烧生成四氧化三铁，反应的化学方程式为3Fe+2O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$Fe₃O₄．
（4）四氧化三铁与盐酸反应生成氯化铁、氯化亚铁和水，化学方程式为：Fe₃O₄+8HCl=FeCl₂+2FeCl₃+4H₂O．
（5）由于CO有毒，不能直接排放，应该在排放尾气的导气管口放一盏燃着的酒精灯，将多余的CO气体通过燃烧除掉，故填：将多余的CO气体通过燃烧除掉，防止空气的污染．
（6）设该赤铁矿中Fe₂0₃的质量为x
Fe₂O₃ +3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，质量减少
160            112     160-112=48
x                    l0.0g-7.6g=2.4g
$\frac{160}{48}=\frac{x}{2.4g}$
x=8g
该赤铁矿中Fe₂0₃的质量分数为$\frac{8g}{10g}$×100%=80%；
故填：80%；
（7）根据氧化性Fe₂O₃＞Fe₃O₄＞FeO可知，与CO发生反应时，Fe₂O₃优先反应，然后Fe₃O₄反应，最后FeO反应，根据图象曲线可知，加热到800℃时三种氧化物反应完全，此时固体为Fe，故填：Fe．
固体质量由48.0g变为46.4g时，对应温度为400-500℃，此时Fe₂O₃与CO反应，根据氧化性Fe₂O₃＞Fe₃O₄＞FeO可知，与CO发生反应时．失去氧48g-46.4=1.6g
氧化铁中氧元素为48*48/160=14.4g，铁元素质量=48-14.4g=33.6g
残余固体中氧元素质量=14.4g-1.6g=12.8g
铁氧原子个数比=（33.6/56）$\frac{33.6}{56}：\frac{12.8}{16}$=3：4，所以此时还原产物为Fe₃O₄
对应方程式3Fe₂O₃ +CO$\frac{\underline{\;400_500℃\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂；
故填：3Fe₂O₃ +CO$\frac{\underline{\;400_500℃\;}}{\;}$2Fe₃O₄+CO₂．

点评 本题考查了物质的检验与鉴别方法、铁及其氧化物的性质等知识，题目难度较大，注意掌握常见金属单质及其化合物性质，明确物质检验与鉴别的实验方案的设计方法．