Question

某化學興趣小組的同學為了探究鐵生銹的因素，設計了下圖裝置進行實驗。實驗時，他們將一枚潔凈的鐵釘放入食鹽水中（如右下圖，裝置氣密性良好），一段時間后，進行觀察。請你一起參與分析，并完成后續實驗設計。

【觀察現象】
①裝置右側U形管中的紅墨水液面左高右低；②鐵釘生銹，試管底部有黑色固體物質。
【提出問題】U形管中的紅墨水液面為何左高右低？黑色固體物質又是什么？
【理論分析】該小組的同學根據已學過的知識分析得知，紅墨水液面左高右低的原因是                                                  。
【猜想與假設】該小組中的小明同學猜測該黑色固體可能含有：①Fe，②Fe₂O₃，③FeCl₃，④C，四種物質。
【分析與驗證】該實驗小組同學根據小明的四種猜測做了以下分析：
（1）小紅同學認為不可能含有氯化鐵，該結論得到小組同學的認可，理由是：            
                                                                  。
（2）小強同學認為一定含有碳，該結論也得到小組同學的認可，理由是：                 
                                                                  。
（3）該小組的同學不能確定黑色固體中是否含有鐵，請你幫助他們設計方案進行確認：

實驗步驟	實驗現象	實驗結論
你選用的試劑是：                。

【知識鏈接】相信你一定在家中做過鐵釘分別在水和食鹽水中生銹的實驗，你的結論之一是鐵釘在
           （填“水”或“食鹽水”）中生銹快。
【繼續探究】請你繼續設計實驗探究影響鐵釘生銹快慢的其它因素，若正確，本題另獎勵4分，化學試卷總分不超過60分。

Answer 1

【理論分析】鐵生銹消耗試管內的部分氧氣，使其內部壓強減小，U形管中紅墨水在大氣壓的作用下而出現左高右低。
【分析與驗證】（1）FeCl₃易溶于水，且呈黃色。（2）鐵釘中原本就含有少量的碳。
（3）設計方案（其它合理答案均可給分）

實驗步驟	實驗現象	實驗結論
你選用的試劑是： 稀鹽酸   。	有氣泡	有鐵

【知識鏈接】食鹽水
【繼續探究】本題為開放性試題，可從溫度、氧氣濃度、雜質（催化劑、電解質）、鐵的表面積等外在因素考慮對鐵生銹的影響。只要設計的實驗方案合理，現象、結論敘述正確，均可獎勵4分。如：將幾枚鐵釘放在含有空氣和水分相同、溫度不同（如20℃和30℃）的試管中，發現溫度越高鐵生銹的速率越快，得出鐵生銹的速率與溫度成正比關系。

試題分析：【理論分析】鐵釘生銹是鐵在氧氣和水的共同作用下的結果，由于該反應消耗了試管內的氧氣，使試管內的壓強變小，低于外界大氣壓，故在外界大氣壓強的作用下，右側U形管中的紅墨水的液面會左高右低。
【分析與驗證】（1）根據題意，“試管底部有黑色固體物質”，說明該黑色物質不溶于水，而氯化鐵是易溶于水的物質，所以試管底部的黑色固體物質不可能是氯化鐵。
（2）因為鐵釘是鐵的合金制成的，而鐵合金中含有碳，而且碳在一般條件下不與其他物質反應，所以試管底部的黑色固體物質中含有碳。
（3）要想確定黑色固體中是否含有鐵，可根據鐵的性質分析并設計實驗驗證，如鐵與稀酸能反應并生成氣體，故可以取少量固體并向其中加入幾滴稀鹽酸或稀硫酸，若有氣泡產生說明含有鐵；若無氣泡產生說明不含鐵。
【知識鏈接】鐵在水和氧氣同時存在的條件下，容易生銹，且在酸和氯化鈉的存在下，能使鐵加速銹蝕。
【繼續探究】溫度、氧氣的濃度、雜質（催化劑、電解質）、鐵的表面積等外在因素都會影響鐵的生銹，可選取其中一點進行驗證，值得注意的是，一定要設計成對照實驗，這樣便于對比總結出規律，還要注意對照實驗中的控制變量法，只能有一個可變量。如可將幾枚鐵釘放在含有空氣和水分相同、溫度不同（如20℃和30℃）的試管中觀察，會發現溫度越高鐵生銹的速率越快，得出鐵生銹的速率與溫度成正比的關系。
點評：理解和熟練掌握鐵生銹的條件，以及常見物質鐵及其化合物的性質和顏色等知識，是解答本題的關鍵；此外，對于探究型實驗探究，要熟悉實驗探究的環節和方法，精心設計實驗方案，將所學過探究物質的性質或變化規律的技巧遷移至此，進行細心地探究實驗和觀察現象，再通過分析實驗現象，推斷、總結出該物質的性質或變化規律等。