Question

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（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：                 。

【查阅资料】2KMnO₄+16HCl（浓）=2KCl+2MnCl₂+5Cl₂↑+8H₂O 
【定性研究】       【实验一】
取铁矿石样品粉碎，盛于烧杯中，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，再滴加适量双氧水溶液；
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     （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     （填序号）．
【定量研究】       【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：                  ．如果拆去B装置，测得结果可能会      （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          。若将H₂换成CO，则还需补充        装置．有同学认为，不测定D装置的净增质量，通过测定物理量               ，也能达到实验目的．
                   

【实验三】铁矿石中含铁量的测定：

（4）步骤④中煮沸的作用是                     ；

（5）步骤⑤中用到的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒、胶头滴管外，还有         ．
（6）下列有关步骤⑥的说法中正确的是     （填序号）．
 a．因为碘水为黄色，所以滴定过程中不需要加指示剂
 b．滴定过程中可利用淀粉溶液作为指示剂
 c．滴定管用蒸馏水洗涤后可以直接装液
 d．锥形瓶不能用待装液润洗
 e．滴定过程中，眼睛应注视滴定管中液面变化
 f．滴定结束后，30s内溶液不恢复原来的颜色，再读数
（7）若滴定过程中消耗0.5000mol•L^-1的KI溶液20.00mL，则铁矿石中铁的百分含量为        。综合实验（二）的结果，可以推算出该铁矿石中铁的氧化物的化学式为         。

Answer 1

【知识点】常见实验操作步骤、实验方案的设计与评价

【答案解析】 假设3：铁矿石中同时含有二价铁和三价铁 （1分）

（1）稀硫酸 （1分） ② （填序号） （1分）

（2）在D后加一干燥装置；（2分）    偏高；（1分）
（3）24％ ；（1分）     尾气处理，（1分） 硬质玻璃管在反应前后的质量变化；（1分）

（4）赶走多余的氯气；（1分）  （5）250ml容量瓶；（1分）

（6）df ；（1分）   （7）70％  ；（1分）  Fe₅O₆  （2分）

解析：铁矿石中主要研究含铁的氧化物，假设1：铁矿石中只含+3价铁； 假设2：铁矿石中只含+2价铁；所以假设3：铁矿石中同时含有二价铁和三价铁。（1）X是用来溶解铁矿石的，浓盐酸会和高锰酸钾反应，稀硝酸也具有氧化性，故只能选择稀硫酸；①③④中都有三价铁的干扰，只有②褪色才能证明一定含亚铁离子；（2）实验方案中氢气还原氧化物的产物水被干燥管D吸收，根据干燥管增重计算，空气中的水蒸气也会进入D，导致结果偏高，故应在D后加一干燥装置；如果拆去B装置，会有水蒸气从制氢气装置中出来，造成测得结果偏高；（3）测得反应后D装置增重1.35g，水的质量，其中的氧来自铁矿石，m(O)=1.35g×16/18=1.2g，铁矿石共5.0g，则铁矿石中氧的百分含量=1.2÷5.0×100%=24%；

若将H₂换成CO，CO有污染，还需补充尾气处理装置；不测定D装置的净增质量，通过测定物理量硬质玻璃管在反应前后的质量变化，也能达到实验目的；（4）如果溶液中混有氯气会和后面的KI反应影响测定结果，所以，步骤④中煮沸的作用是赶走多余的氯气；（5）步骤⑤是配制一定浓度的标准溶液，用到的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒、胶头滴管外，还有250mL容量瓶；（6）a．碘水为黄色，三价铁离子也是黄色溶液，滴定过程中需加指示剂，故a错误；b．滴定过程中，三价铁可以和碘离子发生反应生成亚铁离子和碘单质，碘单质遇到淀粉溶液显示蓝色，不能确定是否达到滴定终点，故b错误；c．滴定管用蒸馏水洗涤后必须用标准液润洗，故c错误；d．锥形瓶不需要用待测液润洗，故d正确；e．滴定过程中，眼睛注视锥形瓶中颜色的变化，故e错误；f．滴定结束后，30s内溶液不恢复原来的颜色再读数，故f正确；（7）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）=0.5000mol•L^-1×0.020L=0.01mol，所以铁元素的百分含量=0.01mol×(250mL÷20mL)×56g/mol÷10.0g×100%=70% ；

铁的质量分数是70%，氧元素的质量分数是24%，所以100g铁矿石中，铁元素的质量是70g，氧元素质量是24g，铁元素和氧元素的物质的量比为:=5:6，

该铁矿石中铁的氧化物的化学式： Fe₅O₆ ；

【思路点拨】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。