Question

8．某同学利用图甲所示的实验装置进行铁跟水蒸气反应的实验，并继续研究铁及其化合物的部分性质．请回答下列问题：

（1）该同学欲确定反应一段时间后硬质试管中固体物质的成分，设计了如下实验方案（图乙）：
①待硬质试管冷却后，取少许其中的固体物质溶于稀硫酸得溶液B；
②取少量溶液B滴加KSCN溶液，若溶液变红色则说明硬质试管中固体物质的成分是（只有一个选项符合题意）A，若溶液未变红色则说明硬质试管中固体物质的成分是（只有一个选项符合题意）C．
A．一定有Fe₃O₄，可能有Fe
B．只有Fe（OH）₃
C．一定有Fe₃O₄和Fe
D．一定有Fe（OH）₃，可能有Fe E．只有Fe₃O₄
（2）该同学按上述实验方案进行了实验，结果溶液未变红色，该同学马上另取少量溶液B，使其跟NaOH溶液反应．若按如图丙所示的操作，可观察到生成白色沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色的现象，请写出与上述现象相关的反应的化学方程式FeSO₄+2NaOH=Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄、4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O=4Fe（OH）₃．
（3）一段时间后，该同学发现（2）中未变红的溶液变成红色，说明Fe²⁺具有还原性性．由此可知，实验室中含Fe²⁺的盐溶液需现用现配制的原因是Fe²⁺易被氧化而变质，并且配制
含Fe²⁺的盐溶液时应加入少量铁粉．
（4）乙同学为了获得持久白色的Fe（OH）₂沉淀，准备用如图丁所示装置，用不含O₂的蒸馏水配制的NaOH溶液与新制的FeSO₄溶液反应．获得不含O₂的蒸馏水的方法是加热煮沸．反应开始时，打开止水夹的目的是除去装置A、B中的空气（或氧气）；一段时间后，关闭止水夹，在试管B（填“A”或“B”）中观察到白色的沉淀．
（5）同学们在学习了铁的性质后知道Fe³⁺和CO₃^2-不能大量共存的原理，那么Fe²⁺和CO₃^2-是否发生相似的反应呢？某学习小组查阅“部分酸碱盐溶解性表”，在“部分酸碱盐溶解性表”中存在“碳酸亚铁”．
他们设计实验探究碳酸亚铁的性质．实验如下
将一定量新制备的硫酸亚铁溶液和过量的碳酸氢铵溶液混合产生大量沉淀和气体．放置一段时间未见沉淀有明显变化．
①试写出反应离子方程式：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
探究碳酸亚铁的热稳定性（加热仪器省略）
连接仪器、装药品．打开K，先通入一段时间氮气，然后，用酒精喷灯在A处加热玻璃管，观察B瓶溶液变浑浊．待固体分解完后，继续通入氮气至玻璃管冷却．
②先通入氮气的目的是除去装置中的空气．B瓶现象能说明分解产物有CO₂．
③停止加热之前，是否拆开A、B之间橡胶管？答：否；理由是通入N₂内压不会减小，不会倒吸．
④若不通入氮气直接加热分解则分解的固体产物可能是FeO、Fe₂O₃；Fe₃O₄；Fe₂O₃和Fe₃O₄混合物理由是FeCO₃（或FeO）被空气中的氧气氧化．

Answer 1

分析 本题以铁与水蒸汽反应为载体，探究反应后的固体成分，主要利用固体溶解后溶液里的Fe³⁺遇KSCN溶液显红色，Fe²⁺有还原性能使酸性KMnO₄溶液褪色，遇NaOH溶液生成的白色沉淀遇空气立即变灰绿色最终变红褪色，因此制氢氧化亚铁时要隔绝空气，防氧化，还考查了Fe²⁺与HCO₃^-在溶液里会发生双水解反应；另外还探究了碳酸亚铁的热稳定性，利用在氮气的氛围里分解生成的气体能使石灰水变浑浊得出有二氧化碳气体生成，同时得到氧化亚铁，如果没有氮气保护将会氧气参与反应，得到的固体中有三价铁，据此作答；
（1）铁粉与水蒸气反应产物为四氧化三铁和氢气，产物四氧化三铁中有+2价的铁和+3价的铁，还有可能有过量的铁；过量的铁，可能将三价铁离子全部转化成二价铁离子；
（2）白色沉淀为氢氧化亚铁，红褐色沉淀为氢氧化铁，据此写出相应的化学反应方程式；
（3）Fe²⁺易被空气中的氧气氧化，具有还原性，Fe²⁺溶液易水解；
（4）硫酸亚铁易被氧化而变质，应排除溶液中的氧气，可用加热溶液的方法除去溶解氧；A管中产生的气体通入B管中排尽AB管中的空气，使AB充满还原性气体氢气，可防止生成的Fe （OH）₂被氧化；试管B中为NaOH溶液，将A中液体压到B中与其反应；
（5）①Fe²⁺与HCO₃^-在溶液中发生反应生成的气体应为CO₂，沉淀放置一段时间未见颜色变化，说明不是氢氧化亚铁沉淀，只能是碳酸亚铁沉淀，结合原子守恒和电荷守恒写出此反应的离子方程式；
②碳酸亚铁中二价铁有氧化性，加热前通氮气可将装置内的空气排尽，防止氧气氧化二价铁，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊；
③通入氮气，玻璃管内气压不会减小，所以不会产生倒吸现象；
④如果实验前不通入氮气，空气中的氧气会氧化二价铁，所得固体产物中会有三价铁，常见含三价铁的氧化物有氧化铁和四氧化三铁．

解答 解：（1）铁和水蒸气反应，产物为四氧化三铁和氢气，待硬质试管冷却后，取少许其中的固体物质溶于稀硫酸得溶液B，一定发生Fe₃O₄+8H⁺=Fe²⁺+2Fe³⁺+4H₂O，取少量溶液B滴加KSCN溶液，若溶液变红色Fe³⁺+3SCN^-?Fe（SCN）₃，则说明所得溶液中存在的阳离子是一定有Fe³⁺，一定有Fe₃O₄，可能有过量的铁；若溶液未变红色，可能含有过量的铁，将三价铁离子全部转化成二价铁离子，Fe+2Fe³⁺═3Fe²⁺，
故答案为：A；C；
（2）可观察到生成白色沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色的现象，说明含有Fe²⁺离子，综上分析可知，白色沉淀为氢氧化亚铁，红褐色沉淀为氢氧化铁，所以反应为：FeSO₄+2NaOH=Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄、4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O=4Fe（OH）₃，
故答案为：FeSO₄+2NaOH=Fe（OH）₂↓+Na₂SO₄；4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O=4Fe（OH）₃；
（3）Fe²⁺溶液因为水解和还原性而不易保存，可以加入酸抑制其水解，加入还原性铁（铁钉）防止其被氧化，故答案为：还原；Fe²⁺易被空气中的氧气氧化而变质；铁粉；
（4）加热时气体的溶解度降低，所以，除去蒸馏水中溶解的O₂常采用加热煮沸的方法；利用铁粉和稀硫酸反应产生的氢气排出试管A、B中的空气，使A、B充满还原性气体氢气，可排除试管中的氧气，防止Fe（OH）₂ 被空气中氧气氧化，一段时间后，关闭止水夹，试管A中生成的FeSO₄溶液压到试管B，与试管B中的NaOH溶液反应，生成Fe（OH）₂沉淀，在试管B中观察到白色的Fe（OH）₂，
故答案为：把蒸馏水煮沸；利用铁粉和稀硫酸反应产生的氢气排出试管A、B中的空气，防止Fe（OH）₂ 被空气中氧气氧化；B．
（5）①硫酸亚铁溶液与碳酸氢铵溶液混合后生成二氧化碳气体和碳酸亚铁沉淀，发生反应的离子方程式为Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O，故答案为：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
②加热前利用氮气将空气排尽，防止空气中的氧气氧化固体中的二价铁，B中石灰水应变浑浊，说明有二氧化碳生成，故答案为：除去装置中的空气；分解产物有CO₂；
③继续通入氮气，不会减小玻璃管内气压，所以不能产生倒吸，则不必拆开A、B之间橡胶管，故答案为：否；通入N₂内压不会减小，不会倒吸；
④若不通入氮气直接加热分解，空气中的氧气会部分或全部氧化二价铁为三价铁，则分解的固体产物可能是FeO、Fe₂O₃或Fe₃O₄或Fe₂O₃和Fe₃O₄混合物，故答案为：FeO、Fe₂O₃；Fe₃O₄；Fe₂O₃和Fe₃O₄混合物；FeCO₃（或FeO）被空气中的氧气氧化．

点评 本题主要考查了铁与水蒸气的反应以及产物的分析判断，考查了氢氧化亚铁的制备和碳酸亚铁的稳定性，掌握基础知识是解答的关键，本题难度不大．