Question

14．已知木炭粉（假設木炭粉中不含其他雜質）和Fe₂O₃在高溫條件下發生化學反應，興趣小組同學對該實驗進行如下探究．
I．生成固體組成分析
（1）實驗過程中可以觀察到有黑色固體生成，小亮認為生成了鐵粉，但小靈卻有不同看法，理由是當固體中混有沒有反應完的碳粉時，也是黑色．
（2）為進一步確定黑色固體成分，小歡將生成的固體溶于足量稀硫酸，若觀察到固體全部溶解現象，則可以判斷生成的黑色固體全部是鐵．
Ⅱ．生成氣體成分分析
提出假設：生成氣體有以下三種可能的組成：
假設1：生成氣體是二氧化碳；
假設2：生成氣體是一氧化碳；
假設3：生成氣體是生成氣體是CO和CO₂的混合物．
【設計實驗】：為確定生成氣體的組成，小組同學設計實驗裝置如圖．
（1）實驗中通入的氣體是純凈干燥的N₂，分析不通入空氣的主要理由是BC（填序號）．
A．空氣中的二氧化碳會使石灰水變渾濁
B．空氣中的氧氣會和木炭粉反應生成CO或CO₂而干擾實驗結果
C．空氣中的二氧化碳、水蒸氣會和木炭粉反應生成CO而干擾實驗結果
（2）定性研究：若實驗過程中可以觀察到澄清石灰水變渾濁，寫出該反應的化學方程式Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O．
（3）定量研究：現準確稱取16.0g氧化鐵與2.4g木炭粉混合，在上述裝置中完全反應．測得剩余固體質量為11.2g．
【實驗結論】處理上述實驗數據測算，可知假設假設3符合實驗事實．
拓展與延伸：合成氨工業生產中所用的α-Fe催化劑的主要成分是FeO、Fe₂O₃．當催化劑中FeO與Fe₂O₃的質量之比為9：20時，其催化活性最高．現以Fe₂O₃為原料制備上述催化劑，可向其中加入適量木炭粉，發生如下反應：2Fe₂O₃+C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4FeO+CO↑．為制得這種活性最高的催化劑，應向240gFe₂O₃粉末中加入木炭粉的質量是3g．

Answer 1

分析 根據氧化鐵能與碳粉在加熱的條件下生成鐵和二氧化碳，鐵粉與碳粉均為黑色固體，生成的鐵能與硫酸反應生成硫酸亞鐵，硫酸亞鐵的水溶液為淺綠色，碳粉不能與硫酸反應，根據質量守恒定律，生成的氣體由碳氧元素組成，可能是一氧化碳也可能時二氧化碳，或是二者的混合物，進行檢驗時，空氣中含有的氣體會與碳粉反應生成二氧化碳或一氧化碳而對氣體造成干擾，故不能使用空氣，檢驗二氧化碳使用的是澄清石灰水，一氧化碳有毒需進行尾氣處理．

解答 解：Ⅰ（1）炭粉也是黑色固體，故答案為：當固體中混有沒有反應完的碳粉時，也是黑色；
 （2）鐵能與硫酸反應生成硫酸亞鐵，硫酸亞鐵的水溶液為淺綠色，碳粉不能與硫酸反應且不溶于水，故答案為：固體全部溶解；
Ⅱ提出假設：根據假設1和假設2可知氣體還可能是二者的混合氣體，故答案為：生成氣體是CO和CO₂的混合物；
設計實驗：（1）空氣中含有的氣體會與碳粉反應生成二氧化碳或一氧化碳而對氣體造成干擾，故不能使用空氣，故選：BC； 
 （2）氫氧化鈣和二氧化碳反應生成碳酸鈣沉淀和水；反應的化學方程式為：Ca（OH）₂+CO₂=CaCO₃↓+H₂O；
實驗結論：
碳和氧化鐵反應生成一氧化碳的關系式，
3C～Fe₂O₃～2Fe
36   160     112
可以看出16克氧化鐵需要碳為3.6克，
碳和氧化鐵生成二氧化碳的關系式，
3C～2Fe₂O₃
36   320
可以看出生成二氧化碳需要碳1.8克，
碳的質量2.4克介于兩者之間，所以生成的氣體含有一氧化碳、二氧化碳，故答案為：假設3；
拓展與延伸：
設需要木炭的質量為y，氧化鐵的質量為W，氧化亞鐵的質量為N
2Fe₂O₃+C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4FeO+CO₂↑
320      12          288
W         y           N
$\frac{320}{W}=\frac{12}{y}=\frac{288}{N}$
所以生成氧化亞鐵為N=24y，
需要氧化鐵為W=$\frac{80y}{3}$，
（240g-$\frac{80y}{3}$）：24y=20：9
y=3g，
故答案為：3．

點評 本題考查了碳與氧化鐵反應的有關實驗探究，完成此題，可以依據已有的知識結合題干提供的信息進行．