Question

（20分）現有某鐵碳合金，某化學興趣小組為了測定鐵碳合金中鐵的質量分數，并探究濃硫酸的某些性質，設計了下圖所示的實驗裝置和實驗方案（夾持儀器已省略），請你參與此項活動并回答相應問題(由實驗裝置引起的實驗誤差忽略不計)。

I. 探究濃硫酸的某些性質
(1)按圖示的連接裝置，檢查裝置的氣密性，稱量E的質量;
(2)將m g鐵碳合金樣品放入A中，再加入適量的濃硫酸;
(3)點燃酒精燈一段時間后，A、B中可觀察到明顯的現象:
寫出A中發生反應的化學方程式___________________________________________(任寫一個); B中的現象是________________________________________，由此可得到濃硫酸具有____________性;C中足量的酸性KMnO₄溶液所起的作用是________________________;
D中盛放的試劑是_______________。
(4)隨著反應的進行，A中還可能發生某些離子反應。寫出相應的離子方程式：
___________________________________(任寫一個)。
Ⅱ.測定鐵的質量分數
(5)待A中不再逸出氣體時，停止加熱，拆下E并稱重，E增重b g，則鐵碳合金中鐵的質量分數為:___________________________________________（寫表達式）;
某同學認為：依據此實驗測得的數據，計算合金中鐵的質量分數可能會偏低，你認為可能的原因是_____________________________________________________________________;
(6)經過大家的討論，決定采用下列裝置和其他常用實驗儀器測定某些數據即可，為了快速和準確地計算出鐵的質量分數，最簡便的實驗操作是___________（填寫代號）。

①用排水法測定H₂的體積
②反應結束后，過濾、洗滌、干燥、稱量殘渣的質量
③ 測定反應前后裝置和藥品的總質量

Answer 1

⑶2Fe＋6H₂SO₄（濃）Fe₂(SO₄)₃＋3SO₂↑＋6H₂O（或C＋2H₂SO₄（濃）CO₂↑＋2SO₂↑＋2H₂O）(2分); 品紅溶液逐漸褪色(2分); 強氧化(2分); 除去CO₂中混有的SO₂(2分)；濃硫酸(2分);　
⑷2Fe^3＋＋Fe=3Fe^2＋（或Fe＋2H^＋=Fe^2＋＋H₂↑，SO₂+2Fe³⁺+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺）(2分);
⑸（或(3分)）; 空氣中CO₂、H₂O進入E管使b增大(2分)
⑹③(3分)

試題分析：（3）濃硫酸具有強氧化性，能和鐵或碳在加熱的條件下反應，反應的化學方程式是2Fe＋6H₂SO₄（濃）Fe₂(SO₄)₃＋3SO₂↑＋6H₂O、C＋2H₂SO₄（濃）CO₂↑＋2SO₂↑＋2H₂O。SO₂具有漂白性，能使品紅溶液褪色，所以B中的實驗現象是品紅溶液逐漸褪色，這說明濃硫酸被還原生成了SO₂，因此說明濃硫酸具有強氧化性。由于SO₂也是一種酸性氧化物，能干擾CO₂的檢驗，所以酸性高錳酸鉀溶液的作用是除去CO₂中混有的SO₂。由于堿石灰也能吸收水蒸氣，所以D裝置的作用是干燥CO₂氣體，所以盛放的試劑是濃硫酸。
（4）由于隨著反應的進行，稀硫酸的濃度會逐漸降低，所以有可能生成氫氣。另外如果鐵過量，則氯化鐵還可能氧化剩余的單質鐵，同時也可能氧化生成的SO₂氣體，因此可能的離子方程式是2Fe^3＋＋Fe=3Fe^2＋（或Fe＋2H^＋=Fe^2＋＋H₂↑，SO₂+2Fe³⁺+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺）。
（5）E裝置增加的質量就是CO₂的質量，所以根據碳原子守恒可知，碳的質量是，則則鐵碳合金中鐵的質量分數。由于空氣中含有水蒸氣和CO₂，也會加入E裝置中，導致b偏大，所以測定結果偏低。
（6）由于氣體的體積測量往往受溫度和壓強的影響，不易測量，①不正確，②態復雜。在反應中碳和稀硫酸不反應，只有鐵和稀硫酸反應生成氫氣和硫酸亞鐵，所以可以根據質量守恒定律，常用實驗③。
點評：化學是一門以實驗為基礎的學科，所以有化學實驗即科學探究之說法。這些探究性和制備性實驗的試題，綜合性強，理論和實踐的聯系緊密，有的還提供一些新的信息，這就要求學生必須認真、細致的審題，聯系所學過的知識和技能，進行知識的類比、遷移、重組，全面細致的思考才能得出正確的結論。探究性實驗的一般思路是：1.準確地把握實驗目的；2.利用已學知識，分析如何實現這個目的-－實驗原理；3.結合實驗材料，初步確定設計對策－－實驗方案。