Question

【題目】粗還原鐵粉是一種重要的化工原料，某興趣小組對其進行下列研究： [物質制備]利用綠礬制備精還原鐵粉的工藝流程如下：
粗還原鐵粉中還含有少量鐵的氧化物和Fe3C，可用氫氣在高溫下進一步還原，其反應方程式為：FexOY+yH2 xFe+yH2O Fe3C+2H2 3Fe+CH4
（1）寫出焙燒中氧化鐵與CO反應的化學方程式 ．
（2）焙燒中加焦炭的作用除了可以生成CO外，還能 ．
（3）[含量測定]為得到精還原鐵粉并測定粗還原鐵粉中氧和碳元素的質量分數，按如下裝置進行試驗，已知 3CH4+4Fe2O3 3CO2+6H2O+8Fe （假設每步反應都完全且不考慮裝置內原來有空氣對測定結果的影響）．
主要實驗步驟如下：
①按順序組裝儀器，檢查裝置的氣密性，稱量樣品和必要裝置的質量；②點燃A處酒精燈；③緩緩通入純凈干燥的H2；④點燃C處酒精燈；⑤分別熄燈A、C處酒精燈；⑥再緩緩通入少量H2；⑦再次稱量必要裝置的質量．
操作的先后順序是①③⑤⑥⑦（填序號）；
（4）步驟③的目的是 ， 驗證該步驟目的達到的實驗方法是；步驟⑥的目的是
（5）若裝置D、E分別增重mg和ng，則m與n的關系為 A.11m=9n B.11m＜9n C.11m＞9n
若缺少裝置D，則所測氧元素的質量分數將（填“偏大”、“偏小”或“等于”．下同）．碳元素的質量分數將 ．
（6）粗還原鐵粉樣品的質量為10.000g，裝置B，E分別增重0.180g和0.220g．計算樣品中氧和碳元素的質量分數（要求計算過程）．

Answer 1

【答案】
（1）Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
（2）提供熱量
（3）④②
（4）除去裝置內的氧氣，防止發生爆炸；收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用
（5）C；等于；偏大
（6）解：裝置B增重0.180g，則粗還原鐵粉與氫氣反應生成水的質量為0.180g，生成水中氧元素質量=0.180g× ×100%=0.160g；

樣品中氧元素的質量分數= ×100%=1.6%

裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應生成二氧化碳的質量為0.220g，生成二氧化碳中碳元素質量=0.220g× ×100%=0.060g；

樣品中碳元素的質量分數= ×100%=0.6%

答：樣品中氧和碳元素的質量分數分別為1.6%、0.6%．

【解析】解：（1）氧化鐵在高溫條件下能與CO發生反應生成鐵與二氧化碳，反應的化學方程式為Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2；（2）焦炭燃燒放出大量的熱，產生的熱量使裝置內其它反應得以發生；（3）根據題目中的假設情況，為使裝置A反應產生的甲烷氣體全部在裝置C中發生反應，操作時應先將C處酒精燈點燃，然后再點燃A處酒精處；（4）步驟③的目的是 除去裝置內的氧氣，防止發生爆炸，驗證該步驟目的達到的實驗方法是收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；有剩余則沒有完全被除掉；步驟⑥的目的是 防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用 （5）若裝置D、E分別增重mg和ng，當只有甲烷參與反應時可以求出二氧化碳和水的質量比為9：11，可求m與n的關系．

3CH4+4Fe2O3 8Fe+	3CO2+	6H2O
	3×44	6×18
	n	m

= =
由于是加熱C在前，所以導致會先生成水，導致水的質量多，所以是9n＜11m，所以選C．
若缺少裝置D，氧元素的測定時取決于B裝置的吸收，所以是不會影響的（后面與氧化鐵的反應物是甲烷氣體反應造成的，所以二氧化碳中的氧元素不會影響到）．碳元素的質量分數是通過吸收二氧化碳，也可以說通過E裝置的質量增加來實現，當D不存在時，導致部分水被E吸收，而被誤當成二氧化碳進行計算，導致碳元素質量增加，進而使含碳量偏大．
所以答案是：（1）Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2；（2）提供熱量；（3）④②；（4）除去裝置內的氧氣，防止發生爆炸； 收集尾氣靠近燃著的酒精燈，聽聲音；防止生成的還原鐵粉再次被氧化，起保護作用 （5）C；等于；偏大；（6）裝置B增重0.180g，則粗還原鐵粉與氫氣反應生成水的質量為0.180g，生成水中氧元素質量=0.180g× ×100%=0.160g；
樣品中氧元素的質量分數= ×100%=1.6%
裝置E增重0.220g，則甲烷與氧化鐵反應生成二氧化碳的質量為0.220g，生成二氧化碳中碳元素質量=0.220g× ×100%=0.060g；
樣品中碳元素的質量分數= ×100%=0.6%
答：樣品中氧和碳元素的質量分數分別為1.6%、0.6%．
【考點精析】解答此題的關鍵在于理解一氧化碳還原氧化鐵的相關知識，掌握原理：在高溫下，利用焦炭與氧氣反應生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來．