Question

【題目】某興趣小組在復習鐵的冶煉時，在參考資料上發現以下一段文字：已知在不同的溫度下，一氧化碳與鐵的氧化物反應能生成另一種鐵的氧化物(或鐵單質)和二氧化碳，他們不禁產生了疑問：一氧化碳與氧化鐵反應生成的黑色物質真的是鐵粉嗎？于是他們進行了以下探究：

[查閱資料]

資料一：鐵粉和四氧化三鐵粉末能被磁鐵吸引而氧化亞鐵(黑色)不能；

資料二：四氧化三鐵中鐵元素有＋2、＋3兩種化合價，其化學式可用FeO·Fe2O3的形式表示。

[提出猜想]黑色物質可能是四氧化三鐵、氧化亞鐵和鐵粉中的一種或幾種。

[進行實驗]興趣小組收集了一氧化碳與氧化鐵反應生成的黑色物質進行了下列實驗：

	實驗方案	實驗現象
甲	取少量黑色物質用磁鐵吸引	黑色物質全部被磁鐵吸引
乙	取少量黑色物質加入30%熱的鹽酸中	無氣泡、溶液顏色變為黃綠色
丙	取少量黑色物質加入硫酸銅溶液中	無任何現象

[實驗結論]

（1）甲實驗現象說明黑色物質中沒有_______，乙、丙實驗現象說明黑色物質中沒有______；

（2）生成的黑色物質應為四氧化三鐵；

（3）寫出黑色粉末和熱的鹽酸反應的化學方程式_______________________________。

[拓展研究]

同學們對四氧化三鐵產生了興趣，從參考資料中找到氧化沉淀法生產復印用高檔四氧化三鐵粉的工藝流程簡圖。

[生產流程]

[查閱資料]

資料一：硫酸亞鐵在不同溫度下的溶解度如下表所示：

溫度/℃	0	10	30	50	60	70	80	90
溶解度/g	14.0	17.0	25.0	33.0	35.3	33.0	30.5	27.0

資料二：氫氧化亞鐵受氧氣氧化反應原理為4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3

資料三：獲得四氧化三鐵的反應原理為Fe(OH)2＋2Fe(OH)3Fe3O4＋4H2O

[問題討論]

（1）溶解時，用50 ℃至80 ℃的熱水目的是____________________________________。

（2）寫出加入適量氫氧化鈉溶液時發生反應的化學方程式________________________。

（3）上述過程中，要控制“通一定量空氣”的目的是____________________________。

（4）要使四氧化三鐵的產率最高，則上述流程中產生的氫氧化亞鐵和氫氧化鐵的最佳質量比為______________。

（5）副產品P是硫酸鈉，由溶液N獲得該副產品的操作順序是b→_____→_____→d。_______

a．過濾

b．加熱濃縮

c．冷卻結晶

d．晶體加熱至完全失去結晶水

[組成確定]

為確定用以上方法制得的四氧化三鐵中可能含有的雜質，同學們又進行了下列實驗探究。

[查閱資料]

資料一：難溶性堿受熱時能分解產生金屬氧化物和水(反應中各種元素的化合價不變)；

資料二：氧化鐵和一氧化碳反應是隨溫度升高而逐步進行的，先生成四氧化三鐵，再生成氧化亞鐵(黑色)，最后生成鐵。

[提出猜想]

四氧化三鐵中可能含有的雜質是氧化鐵和氧化亞鐵中的一種或兩種。

[實驗設計]

同學們稱取了23.28 g該四氧化三鐵樣品進行了下列實驗：

[實驗分析]

因探究思路不同，興趣小組分成甲、乙兩小組。

甲組：

（1）該組同學欲通過B裝置反應前后的質量變化來計算確認該四氧化三鐵樣品中的雜質，B中的最佳試劑是_________(填序號)。

①澄清石灰水　②氫氧化鈉濃溶液　③稀鹽酸　　④水

（2）上述實驗過程中，一氧化碳氣體除作為反應物外，還能起到的作用是：

①實驗開始時，排盡裝置中的空氣，防止加熱時發生爆炸；

②停止加熱后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；

③_____________________________________________。

（3）乙組同學認為B裝置反應前后的質量差會偏小而影響計算、分析，你認為他們的理由是_______________________________________________。

乙組：

利用儀器測定并繪制成反應過程中A裝置中玻璃管內的固體質量隨溫度的變化曲線(如圖)：

（1）寫出BC段發生反應的化學方程式______________________________。

（2）通過計算確定：該四氧化三鐵樣品中含有的雜質是__________，其中含四氧化三鐵的質量是____g。(不需要寫過程)

Answer 1

【答案】氧化亞鐵 鐵 Fe3O4＋8HCl=FeCl2＋2FeCl3＋4H2O 在50 ℃～80 ℃時，硫酸亞鐵的溶解度較大，有利于溶解的更多，提高產率 2NaOH＋FeSO4=Fe(OH)2↓＋Na2SO4 防止氫氧化亞鐵完全轉化為氫氧化鐵 90∶214(或45∶107) c　a ② ③將裝置中的二氧化碳通入氫氧化鈉溶液中 一氧化碳從B中溶液里逸出時會帶出部分水蒸氣 Fe3O4＋CO3FeO＋CO2 氧化鐵 20.88 g

【解析】

[實驗結論]（1）根據題意FeO不能被磁鐵吸引分析甲，根據鐵能與鹽酸、硫酸銅反應的性質分析乙、丙；

（3）根據金屬氧化物與鹽酸生鹽和水，寫出反應的方程式；

[問題討論]（1）根據硫酸亞鐵的溶解度與溫度的關系進行解答；

（2）根據堿和鹽反應進行解答；

（3）根據反應條件可以影響反應的產物進行解答；

（4）根據質量守恒定律可知Fe(OH)2和Fe(OH)3的最佳質量比；

（5）根據硫酸鈉的溶解性以及固體物質的分離方法進行解答；

【實驗分析】

甲組：（1）根據氫氧化鈉溶液用于吸收二氧化碳進行解答；

（2）根據一氧化碳還原四氧化三鐵的作用進行解答；

（3）根據一氧化碳從B裝置中流出要帶走水蒸氣進行解答；

乙組：（1）根據反應進行程度判斷；

（2）根據氧元素的含量進行判斷．根據鐵元素質量守恒計算。

[實驗結論]：

(1)實驗甲中看到黑色物質全部被磁鐵吸引，說明沒有氧化亞鐵；實驗丙中取少量黑色物質加入硫酸銅溶液中無任何現象，說明沒有鐵；

(3)根據實驗可知黑色固體為四氧化三鐵，和鹽酸反應生成氯化鐵、氯化亞鐵和水。黑色粉末和熱的鹽酸反應的化學方程式：Fe3O4＋8HCl=FeCl2＋2FeCl3＋4H2O；

[問題討論]：

(1)根據圖表中的信息可知，在50 ℃至80 ℃的熱水中，硫酸亞鐵的溶解度較大，利于溶解更多的硫酸亞鐵，提高產率；

(2)氫氧化鈉和硫酸亞鐵反應生成氫氧化亞鐵和硫酸鈉：2NaOH+FeSO4=Fe(OH)2↓+Na2SO4 ；

(3)上述過程中，要控制“通一定量空氣”的目的是控制氫氧化亞鐵轉化為氫氧化鐵的量，防止氫氧化亞鐵完全轉化為氫氧化鐵；

(4)要使四氧化三鐵的產率最高，上述流程中產生的氫氧化亞鐵與氫氧化鐵的物質的量之比為1∶2，最佳質量比為90∶214(或45∶107)；

(5)根據硫酸鈉晶體的溶解度隨溫度的升高而增大，采用加熱濃縮、冷卻結晶的方法，再過濾，晶體加熱至完全失去結晶水，得到硫酸鈉，故答案為：c　a ；

[實驗結論]

甲組：(1)氫氧化鈣的溶解性很小，不能保證把生成的二氧化碳全部吸收；二氧化碳溶解水的能力也不大，不能保證把生成的二氧化碳全部吸收；稀鹽酸和二氧化碳不反應；只有氫氧化鈉溶液保證把生成的二氧化碳全部吸收，故選用氫氧化鈉濃溶液，即選②；

(2)上述實驗過程中，一氧化碳氣體除作為反應物外，還能起到的作用是：

①實驗開始時，排盡裝置中的空氣，防止加熱時發生爆炸；

②停止加熱后，防止A中生成物被氧化，B中的溶液倒吸入A中；

③將裝置中的二氧化碳通入氫氧化鈉溶液中；

(3)一氧化碳從B中溶液里逸出時會帶出部分水蒸氣，而影響計算樣品中雜質的質量；

乙組：(1)BC段發生反應的化學方程式：Fe3O4＋CO3FeO＋CO2；

(2)到700 ℃時只剩下鐵，即此時氧化鐵被一氧化碳還原為鐵單質，

混合物中鐵元素的質量分數＝×100%＝72.16%；

四氧化三鐵鐵元素的質量分數＝×100%＝72.4%；

氧化亞鐵鐵元素的質量分數＝×100%≈77.8%；

氧化鐵鐵元素的質量分數＝×100%＝70%，

所以該四氧化三鐵樣品中含有的雜質是氧化鐵；

設混合物中含四氧化三鐵的質量為x，則x××100%＋(23.28 g－x)××100%＝16.80g，x＝20.88g。