Question

16．某研究小组为了探究“铁与水蒸气”的反应的产物，进行了下列实验：用如图1所示实验装置，在硬质玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热，并通入水蒸气，就可以完成高温下“Fe与水蒸气的反应实验”（石棉绒高温下不与水和铁反应）．

（1）如何检查该装置的气密性：将C处导气管末端浸入水槽中，加热A处圆底烧瓶，导管末端出现气泡，停止加热后导管末端出现一段水柱
（2）写出铁与水蒸气反应的化学方程式3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂
（3）验证固体产物中铁元素的价态
限选实验仪器与试剂：烧杯、试管、玻璃棒、药匙、滴管、酒精灯、试管夹；1mol/L CuSO₄、3mol/L H₂SO₄、3mol/L HNO₃、30%H₂O₂、0.01mol/L KMnO₄、20%KSCN、蒸馏水．
在答题卡上按下表的格式写出实验步骤、预期现象与结论．

	实验步骤	预期现象与结论
步骤1	取反应后干燥的固体ag于试管中，加入足量的1mol/L CuSO4溶液，充分振荡，经固液分离、洗涤后，再向固体中滴加足量的3mol/LH2SO4，振荡溶解，过滤后将滤液配成250mL溶液，待用．	-
步骤2	取少量步骤1中滤液于试管中，滴加1～2滴20%KSCN	溶液变红色，则固体产物含+3价铁
步骤3	取少量步骤1中滤液于试管中，滴加1～2滴0.01mol/LKMnO4	溶液紫色褪去，则固体产物含+2价铁

步骤1中加入足量1mol/L CuSO₄溶液的作用是除去反应后固体中可能未反应完的铁粉，以免影响后续实验的结果分析．
（4）固体产物中铁元素的质量分数的测定可采用图2的流程．其中步骤①是向溶液中加入锌粉至黄色刚好消失；步骤②用0.010mol/LKMnO₄溶液滴定至终点，消耗KMnO₄溶液平均为v mL．（已知5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O）其中加入锌粉的目的是将Fe³⁺还原为Fe²⁺．实验测得ag样品中固体产物铁元素的质量分数为$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25a}$×100%_（只列计算表达式）．

Answer 1

分析 （1）检查装置的气密性有加热法和液压法，从本装置的情况看，应该选用加热法；
（2）铁与水蒸气在加热条件下反应生成四氧化三铁和氢气，据此写出反应方程式；
（3）要验证固体产物中铁元素的价态，应该先将固体溶解，考虑到可能有铁单质剩余，会与三价铁离子反应，所以要先除去铁单质，选用的试剂是硫酸铜溶液；剩余的固体则应用稀硫酸溶解，接着确定检验相应离子的试剂，三价铁离子用的是硫氰化钾溶液，而检验二价铁则从限选试剂中只能用高锰酸钾溶液，利用二价铁离子的还原性，据此进行解答；
（4）根据实验目的可判断加入锌粉的作用；结合反应方程式及质量守恒定律计算出固体样品中铁元素的质量分数．

解答 解：（1）利用加热法检验该装置气密性，将C处将导管伸入水槽，并微热A处圆底烧瓶，现象是导管末端出现气泡，停止加热后导管末端出现一段水柱，则气密性良好，
故答案为：将C处导气管末端浸入水槽中，加热A处圆底烧瓶，导管末端出现气泡，停止加热后导管末端出现一段水柱；
（2）铁与水蒸气在高温下反应生成四氧化三铁和氢气，反应的化学方程式为：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂，
故答案为：3Fe+4H₂O（g）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Fe₃O₄+4H₂；
（3）验证固体产物中铁元素的价态，先要将固体溶解，但考虑到可能有铁单质剩余，会和三价铁离子反应，所以要先除去铁单质，选用的试剂是硫酸铜溶液，然后，剩余的固体则应用稀硫酸溶解（因为硝酸的氧化性会氧化二价铁），接着确定检验相应离子的试剂，三价铁离子用的是硫氰化钾溶液，而检验二价铁则从限选试剂中只能用高锰酸钾溶液，利用二价铁离子的还原性，
故答案为：

	实验步骤	预期现象与结论
步骤1	3mol/L H2SO4
步骤2	滴加1～2滴20%KSCN	溶液变红色，则固体产物含+3价铁
步骤3	滴加1～2滴0.01mol/L KMnO4	溶液紫色褪去，则固体产物含+2价铁

；除去反应后固体中可能未反应完的铁粉，以免影响后续实验的结果分析；
（4）实验目的是“固体产物中铁元素的质量分数的测定”，所以由”加入锌粉后溶液的黄色恰好消失“可知，加入锌粉的密度是用于还原三价铁离子；
由反应5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺═5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O可知，n（Fe²⁺）=5n（MnO₄^-），则ag样品中固体产物铁元素的质量为：m（Fe）=$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25}$，
所以ag样品中固体产物铁元素的质量分数为：ω（Fe）=$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25a}$×100%，
故答案为：将Fe³⁺还原为Fe²⁺；$\frac{250×5×56g/mol×0.010mol/L×V×1{0}^{-3}L}{25a}$×100%．

点评 本题考查铁及其化合物性质，题目难度中等，涉及铁与水蒸气的反应、气密性的检验、实验方案设计、二价铁、三价铁离子的检验方法等知识，试题知识点较多、充分考查学生的分析、理解能力及化学实验能力．