Question

2．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：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．其中，石灰石起的作用是将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的．
（一）甲组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究．
【提出问题】
单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑．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】
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
先通CO（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，其原因是防止高温下铁又被进入的空气氧化．
【实验现象】
当图1装置B的玻璃管中固体完全由红色变为黑色时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），图1装置A的试管中仍有红色物质．
【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）澄清的石灰水，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存在的化学方程式Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；证明原混合气体中CO存在的实验现象是黑色粉末变成红色；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．
（二）精还原铁粉是一种重要的化工原料，某兴趣小组对其进行下列研究：
【物质制备】
利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下：

粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe₃C杂质，可用氢气在高温下进一步还原，其反应方程式为Fe_xO_y+yH₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$xFe+yH₂O，Fe₃C+2H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+CH₄．
【含量测定】

为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数，按图装置进行实验．
已知3CH₄+4Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3CO₂+6H₂O+8Fe（假设每步反应都完全，且不考虑装置内原有空气对测定结果的影响）．
（1）主要实验步骤如下：
①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，称量样品和必要装置的质量；
②缓缓通入纯净干燥的H₂；
③点燃酒精灯，先点A处，后点C处（填“先点A处，后点C处”或“先点C处，后点A处”）；
④分别熄灭A处、C处酒精灯；
⑤再缓缓通入少量H₂；
⑥再次称量必要装置的质量
（2）步骤②的目的是除去装置内的氧气，防止发生爆炸，验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气靠近燃着的酒精灯，听声音；
（3）若缺少装置D，则所测氧元素的质量分数将不变（填“偏大”，“偏小”或“不变”）．
（4）粗还原铁粉样品的质量为15.000g，装置B、E分别增重0.270g和0.330g，则计算样品出中碳、氧元素的质量分数分别是0.6%，1.6%．（列出计算过程）

Answer 1

分析 根据一氧化碳和氧化铁在高温的条件下生成铁和二氧化碳，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进行分析；
【提出问题】根据碳和氧化铁在给高温的条件下生成铁和二氧化碳进行分析；
【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；
（2）根据装置A在加热时发生反应，生成的水与甲烷通过装置B处理后进入装置C，进入该装置的气体在加热条件下发生反应进行分析；
（2）根据步骤③的目的是 除去装置内的氧气，防止发生爆炸，验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气靠近燃着的酒精灯，听声音进行分析；
（3）根据若缺少装置D，氧元素的测定时取决于B装置的吸收，所以是不会影响的（后面与氧化铁的反应物是甲烷气体反应造成的，所以二氧化碳中的氧元素不会影响到）进行分析；
（4）根据装置B中浓硫酸吸收氢气与粗还原铁粉反应生成的水，由该装置增重为反应生成水的质量可求得粗还原铁粉中氧元素质量；装置E中碱石灰吸收甲烷与氧化铁反应产生的二氧化碳，由该装置增重为反应生成二氧化碳的质量可计算出粗还原铁粉中所含碳元素质量进行分析．

解答 解：一氧化碳和氧化铁在高温的条件下生成铁和二氧化碳，化学方程式为：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂ ，在炼铁中石灰石起作用是将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去；
【提出问题】碳与氧化铁在高温的条件下反应生成铁和二氧化碳，化学方程式为：3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4Fe+3CO₂↑；
【进行实验】为防止一氧化碳与空气混合加热时，引起爆炸，在实验前要先通入CO；防止高温下铁又被进入的空气氧化，实验结束后，应继续通入CO直至冷却至室温；
【实验现象】因氧化铁是红色，铁粉是黑色，B中的氧化铁被完全还原后，由红色变成黑色．此时由于A中的氧化铁还没有被完全还原，仍有红色物质；
【完善实验】为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以检验二氧化碳、氢氧化钠溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以还原氧化铜并生成二氧化碳气体，所以先用图2中的A检验二氧化碳的存在，氢氧化钙和二氧化碳反应生成碳酸钙沉淀和水，化学方程式为：Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O，为防止二氧化碳影响实验的结论，再用图2中的B中的氢氧化钠溶液吸收二氧化碳，连接图2中的C，如果氧化铜由黑色变成红色，图2D中的澄清石灰水变浑浊，说明有一氧化碳气体；
（1）根据题目中的假设情况，为使装置A反应产生的甲烷气体全部在装置C中发生反应，操作时应先将C处酒精灯点燃，然后再点燃A处酒精处；
（2）步骤③的目的是 除去装置内的氧气，防止发生爆炸，验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气靠近燃着的酒精灯，听声音；有剩余则没有完全被除掉；
（3）若缺少装置D，氧元素的测定时取决于B装置的吸收，所以是不会影响的（后面与氧化铁的反应物是甲烷气体反应造成的，所以二氧化碳中的氧元素不会影响到）；
（4）装置B增重0.27g，则说明粗还原铁粉与氢气反应生成水的质量为0.360g，因此生成水中氧元素质量=0.27g×$\frac{16}{18}$×100%=0.24g；
样品中氧元素的质量分数=$\frac{0.24g}{20g}$×100%=1.2%
装置E增重0.440g，则甲烷与氧化铁反应生成二氧化碳的质量为0.440g，生成二氧化碳中碳元素质量=0.33g×$\frac{12}{44}$×100%=0.09g
样品中碳元素的质量分数=$\frac{0.09g}{20g}$×100%=0.45%
答：样品中氧和碳元素的质量分数分别为1.2%、0.45%．
故答案为：3CO+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO₂，将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的；
【提出问题】3C+2Fe₂O₃$\frac{\underline{\;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；Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；黑色粉末变成红色；
探究二（1）先点A处，后点C处； 
（2）除去装置内的氧气（或空气），防止发生爆炸；收集尾气点燃，听声音；
（3）不变；
（4）0.45%，1.2%．

点评 本题考查了常规性的冶炼铁的原理及实验的注意事项等，并在此基础上通过对铁冶炼原理的知识迁移，理解该题的实验过程及目的，考查了知识的运用及实验分析的能力．