Question

9．铁矿石是工业炼铁的主要原料之一，其主要成分为铁的氧化物（假设杂质中不含铁元素和氧元素，且杂质不与稀硫酸反应）．某研究性学习小组对某铁矿石中铁的价态和氧化物的化学式进行探究．
[提出假设]
假设1：铁矿石中只含+3价铁；
假设2：铁矿石中只含+2价铁；
假设3：铁矿石中含有+3价和+2价铁．
[查阅资料]2KMnO₄+16HCl（浓）=2KCl+2MnCl₂+5Cl₂↑+8H₂O
[定性探究]
实验（一）
取铁矿石样品粉碎，盛装于烧杯中，加入适量的X溶液，微热，充分溶解后将滤液分成四份：
①向第一份溶液中滴加少量KSCN溶液；
②向第二份溶液中滴加适量高锰酸钾溶液；
③向第三份溶液中滴加少量KSCN溶液，再滴加适量过氧化氢溶液；
④向第四份溶液中滴加适量氢氧化钠溶液．
（1）上述X溶液是稀硫酸（填“稀硝酸”“稀硫酸”或“浓盐酸”）；上述方案中，一定能证明铁矿石中含+2价铁的方案是②（填序号）．
[定量探究]
实验（二）　铁矿石中含氧量的测定：
①按图组装仪器，检查装置的气密性；
②将5.0g铁矿石放入硬质玻璃管中，其他装置中的药品如图所示（夹持装置已略去）；
③A中开始反应，不断地缓缓向后续装置中通入氢气，待D装置出口处氢气验纯后，点燃C处酒精灯；
④充分反应后，撤掉酒精灯，再持续通入氢气直至完全冷却．

（2）按上述方案进行多次实验，假设各项操作都正确，但最终测得结果都偏高，请你提出改进方案的建议：装置D后连接一个盛碱石灰的干燥管．
如果拆去B装置，测得结果可能会偏高（填“偏高”“偏低”或“无影响”）．
（3）改进方案后，测得反应后D装置增重1.35g，则铁矿石中氧的百分含量为24%．若将H₂换成CO，则还需补充尾气处理装置．
实验（三）　铁矿石中含铁量的测定：

（4）步骤⑤中用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、胶头滴管、250mL容量瓶．
（5）步骤④中煮沸的作用是赶走溶液中溶解的过量的Cl₂．
（6）若滴定过程中消耗0.500 0mol•L^-1的KI溶液20.00mL，则铁矿石中铁的百分含量为70%．

Answer 1

分析 【提出假设】依据假设1、2分析推断假设3为铁矿石中含+2、+3价铁；
【定性研究】（1）样品溶解需要酸，硝酸具有氧化性可能也会亚铁离子，浓盐酸会被高锰酸钾溶液也会生成氯气，所以只有稀硫酸符合；依据实验步骤②加入高锰酸钾溶液褪色证明含有亚铁离子；
【定量研究】
（2）分析装置图，最后碱石灰可以吸收空气中的水蒸气和二氧化碳导致测定结果偏高，需连接盛碱石灰的干燥管；去掉装置B水蒸气金融业装置D导致测定结果偏高；
（3）依据装置D中水的质量，结合氧元素守恒计算含氧元素质量，得到铁矿石中氧的百分含量；
（4）根据稀释液体和配制一定体积的溶液的步骤所选择的仪器来回答主要是计算、量取、溶解、转移、洗涤转移、定容、摇匀等；
（5）煮沸可以将水中的气体赶走；
（6）根据元素守恒和化学反应方程式进行计算，根据反应的方程式为2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂可知，消耗的碘离子与铁离子物质的量相等，n（Fe³⁺）=n（KI）．

解答 解：【提出假设】假设1：铁矿石中只含+3价铁；假设2：铁矿石中只含+2价铁；依据假设1、2，结合铁元素存在的化合价，分析推断假设3为铁矿石中含+2、+3价铁，
故答案为：铁矿石中含+2、+3价铁；
【定性研究】（1）样品溶解需要酸，硝酸具有氧化性可能也会亚铁离子，浓盐酸会被高锰酸钾溶液也会生成氯气，所以只有稀硫酸符合；依据实验步骤②，向第二份溶液中滴加适量高锰酸钾溶液具有强氧化性，加入高锰酸钾溶液褪色证明被还原，证明含有亚铁离子，
故答案为：稀硫酸；②；
【定量研究】
（2）该实验中，氢气和氧化铁反应生成金属铁和水，根据固体质量的变化来计算铁的含量，分析装置图，最后碱石灰可以吸收空气中的水蒸气和二氧化碳导致测定结果偏高，需连接盛碱石灰的干燥管；去掉装置B水蒸气金融业装置D导致测定结果偏高；
故答案为：装置D后连接一个盛碱石灰的干燥管；偏高；
（3）依据水的质量计算含氧元素质量得到铁矿石中氧的百分含量，测的反应后装置D增重1.35g，根据反应的实质，增加的是水的质量，根据质量守恒定律，所以铁矿石中氧的百分含量是：$\frac{\frac{1.35g}{18g/mol}×16g/mol}{5.0g}$×100%=24%，一氧化碳有毒不能排放空气中，若将H₂换成CO，则还需补充尾气吸收装置，不测定D装置的净增质量，通过测定物理量装置C反应前后质量变化计算含氧量，
故答案为：24%；尾气处理；
（4）将原溶液稀释到250mL，需要使用的玻璃仪器仪器有：烧杯、玻璃棒、胶头滴管、250mL容量瓶，还缺少250mL容量瓶，
故答案为：250mL容量瓶；
（5）向铁矿石中加入硫酸，化反应生成硫酸的铁盐溶液，还存在过量的硫酸溶液，加入过量的氯气，煮沸后可以降低氯气的溶解度，赶走溶液中溶解的过量的Cl₂，
故答案为：赶走溶液中溶解的过量的Cl₂；
（6）根据反应的方程式为2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂可知，消耗的碘离子与铁离子物质的量相等，n（Fe³⁺）=n（KI），即：0.5000mol•L^-1×0.020L=c（Fe³⁺）×0.02L，解得c（Fe³⁺）=0.5mol•L^-1，所以铁元素的百分含量为：$\frac{0.5000mol/L×0.250L×56g/mol}{10.0g}$×100%=70%，
铁的氧化物的化学式为Fe₅O₆，
故答案是：70%．

点评 本题考查了探究铁矿石中氧元素和铁元素的含量的方法，该题是高考中的常见题型，属于中等难度的试题，侧重对学生能力的培养和训练，有利于培养学生规范严谨的实验设计、操作能力；该类试题综合性强，理论和实践的联系紧密，要求学生必须认真、细致的审题，联系所学过的知识和技能，全面细致的思考才能得出正确的结论．