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+Fe
2O
3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe+3CO
2.其中,石灰石起的作用是 将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的.
(一)甲组同学在学习炼铁的相关内容时,对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究.
【提出问题】
单质碳也具有还原性,碳还原氧化铁的化学方程式为3C+2Fe
2O
3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$4Fe+3CO
2↑.为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石?
【猜想与假设】
焦炭和铁矿石都是固体,接触面积小,反应不易完全.
【进行实验】
①称取两份相同质量的氧化铁粉末.一份与足量的碳粉均匀混合放入图1装置A的试管中;另一份放入图1装置B的玻璃管中.
②图1装置A和B两组实验同时开始进行.在图1装置B的反应中,实验开始前应先通CO ,(选填“通CO”或“加热”); 实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温,其原因是防止高温下铁又被进入的空气氧化 .
【实验现象】
当图1装置B的玻璃管中固体完全由红色变为黑色时(选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”),图1装置A的试管中仍有红色物质.
【解释与结论】
焦炭和铁矿石都是固体,接触面积小,反应确实不易完全,这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因.
【完善实验】
联想到单质碳的一些化学性质,甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生.为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO
2,将该气体通过图2的检验装置.图2A装置中的试剂是(写名称,下同)澄清的石灰水,图2B装置中的试剂是氢氧化钠溶液,用以吸收二氧化碳(2NaOH+CO
2═Na
2CO
3+H2O );证明原混合气体中CO
2存在的化学方程式Ca(OH)
2+CO
2=CaCO
3↓+H
2O;证明原混合气体中CO存在的实验现象是黑色粉末变成红色;经过检验,证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO
2.
(二)精还原铁粉是一种重要的化工原料,某兴趣小组对其进行下列研究:
【物质制备】
利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下:
粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe
3C杂质,可用氢气在高温下进一步还原,其反应方程式为
Fe
xO
y+yH
2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$xFe+yH
2O,Fe
3C+2H
2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3Fe+CH
4.
【含量测定】
为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数,按图装置进行实验.
已知3CH
4+4Fe
2O
3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$3CO
2+6H
2O+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H
2;
③点燃酒精灯,先点C处,后点A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H
2;
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(或空气),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点燃,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0.45%,1.2%.