Question

15．纳米四氧化三铁因在磁记录、微波吸收材料等领域有潜在的应用而得到广泛的研究．一种利用废铁屑（含少量铁锈-Fe₂O₃）制备纳米Fe₃O₄的流程如下：
废铁屑$\stackrel{稀HCl}{→}$ $→_{适量试剂X}^{调节pH=1-2}$溶液A（Fe²⁺，Fe³⁺）$→_{△}^{NaOH（aq）}$…→纳米Fe₃O₄
用如图1装置制备溶液A，其实验步骤为：
Ⅰ．打开k₁，关闭k₂，并打开k₃，缓慢滴加盐酸；
Ⅱ．当容器C中不再产生气泡时，关闭k₃，对装置E进行读数操作；
Ⅲ．关闭k₁，打开k₂、k₃，使C容器中的溶液完全进入烧杯；
Ⅳ．往烧杯中加入适量试剂X，得到溶液A．
请回答：
（1）废铁屑中加稀盐酸的反应除Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑和Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O外，还可能发生的化学反应的离子方程式为Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺．
（2）要粗略测定废铁屑中铁的质量分数，可通过装置E测出C容器中生成气体的体积．

①下列相关叙述错误的是ab（填序号）．
a．用CCl₄代替E中的水，测得气体的体积更准确
b．量气管压入水准管的水过多而溢出，会导致测定失败
c．必须待装置恢复到室温且量气管与水准管两端液面相平才可进行读数②将装置D改为如图2装置，其优点
是平衡气压使分液漏斗中的盐酸能顺利流下；且避免液体体积占位影响气体体积测定．
（3）制备溶液A，试剂X可以选择ac（填序号）．
a．H₂O₂     b．SO₂     c．Cl₂     d．铁粉
（4）由溶液A制备纳米Fe₃O₄理论上需控制Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-的物质的量之比为1：2：8，制备过程中须持续通入N₂的原因是在 N₂气流下，防止Fe²⁺被氧化．
（5）Fe₃O₄样品中Fe（Ⅲ）的质量分数可用碘量法测定：称取m g Fe₃O₄样品，溶于稀盐酸，配制成100mL溶液；取出10.00mL，加入稍过量的KI溶液，充分反应后，滴入几滴淀粉溶液，并用cmol•L^-1 Na₂S₂O₃溶液滴定，消耗Na₂S₂O₃溶液VmL（已知：I₂+2S₂O₃^2-=I^-+S₄O₆^2-）．
①滴定终点的现象是溶液由蓝色变无色，且半分钟不变色．
②样品中Fe（Ⅲ）的质量分数$\frac{56cV}{m}%$ ．

Answer 1

分析 铁屑用稀盐酸溶解得到氯化亚铁溶液，调节溶液pH并加热试剂X，将部分氧化为Fe²⁺氧化成Fe³⁺，可以是过氧化氢或氯水等，再加入NaOH溶液，加热得到纳米Fe₃O₄．
（1）铁过量会和铁离子发生氧化还原反应；
（2）①a．氢气不溶于水、四氯化碳，但CCl₄易挥发；
b．量气管压与水准管液面等高，即可测定氢气体积；
c．读数是保证装置内压强与外界大气压相等，气体受热温度体积会增大，冷却后体积会减小；
②图2中分液漏斗连接橡胶管可以平衡压强使液体顺利流下；
（3）制备溶液A，试剂X是将部分氧化为Fe²⁺氧化成Fe³⁺，需要选择具有强氧化性的物质；
（4）Fe²⁺、Fe³⁺在碱性、加热条件下反应得到Fe₃O₄，还有水生成；制备中防止亚铁离子被氧气氧化；
（5）①铁离子将碘离子氧化为碘单质，加入淀粉溶液呈蓝色，滴定终点时蓝色褪去；
②根据关系式：Fe₃O₄～2Fe³⁺～I₂～2S₂O₃^2-计算．

解答 解：铁屑用稀盐酸溶解得到氯化亚铁溶液，调节溶液pH并加热试剂X，将部分氧化为Fe²⁺氧化成Fe³⁺，可以是过氧化氢或氯水等，再加入NaOH溶液，加热得到纳米Fe₃O₄．
（1）铁过量会和铁离子发生氧化还原反应，反应的离子方程式为：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，
故答案为：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺；
（2）①a．氢气不溶于水、四氯化碳，不影响沉淀氢气体积，且CCl₄易挥发，污染空气，故a错误；
b．量气管压入水准管的水过多而溢出，但量气管压与水准管液面等高，即可测定氢气体积，不会导致实验失败，故b错误；
c．读数是保证装置内压强与外界大气压相等，气体受热温度体积会增大，冷却后体积会减小，应恢复室温，故c正确，
故答案为：ab；
②将装置D改为如图2装置，橡胶管的作用是：平衡气压使分液漏斗中的盐酸能顺利流下；且避免液体体积占位影响气体体积测定
故答案为：平衡气压使分液漏斗中的盐酸能顺利流下；且避免液体体积占位影响气体体积测定；
（3）制备溶液A，试剂X是将部分氧化为Fe²⁺氧化成Fe³⁺，需要选择具有强氧化性的物质，可以是氯气、过氧化氢，铁离子可以氧化二氧化硫，
故答案为：ac；
（4）Fe²⁺、Fe³⁺在碱性、加热条件下反应得到Fe₃O₄，还有水生成，反应离子方程式为：Fe²⁺+2Fe³⁺+8OH^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂O，控制Fe²⁺、Fe³⁺、OH^-的物质的量之比为：1：2：8，制备过程中须持续通入N₂的原因是在 N₂气流下，防止Fe²⁺被氧化，
故答案为：1：2：8；在 N₂气流下，防止Fe²⁺被氧化；
（5）①铁离子将碘离子氧化为碘单质，加入淀粉溶液呈蓝色，用Na₂S₂O₃溶液滴定滴定碘单质，滴定终点的现象是：溶液蓝色褪去，且半分钟不变色，
故答案为：溶液由蓝色变无色，且半分钟不变色；
②设样品中铁（Ⅲ）的物质的量为a，则：
Fe₃O₄～2Fe³⁺～I₂～2S₂O₃^2-
             2              2mol
             a         V×10^-3L×cmol•L^-1
a=cV×10-3mol，
样品中Fe（Ⅲ）的质量分数=$\frac{cV×1{0}^{-3}mol×\frac{100}{10}×56g/mol}{mg}$×100%=$\frac{56cV}{m}%$
故答案为：$\frac{56cV}{m}%$．

点评 本题考查物质制备实验与定量测定实验，关键是对原理的理解，掌握气体体积测量方法与滴定中关系式计算，熟练掌握元素化合物性质，题目培养了学生分析能力、知识迁移运用能力，题目难度中等．