Question

早在春秋战国时期，我国就开始生产和使用铁器。工业炼铁把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。

一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为：            。其中，石灰石起的作用是              。

（一）甲组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究。

【提出问题】

单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为            。为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？

【猜想与假设】

焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全。

【进行实验】

①称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入图1装置A的试管中；另一份放入图1装置B的玻璃管中。

②图1装置A和B两组实验同时开始进行。在图1装置B的反应中，实验开始前应先        （选填“通CO”或“加热”）； 实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是             。

【实验现象】

当图1装置B的玻璃管中固体完全由            时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），图1装置A的试管中仍有              。

【解释与结论】

焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。

【完善实验】

联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生。为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，将该气体通过图2的检验装置。图2A装置中的试剂是（写名称，下同）               ，图2B装置中的试剂是氢氧化钠溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H2O ）；证明原混合气体中CO₂存在的化学方程式        ；证明原混合气体中CO存在的实验现象是        ；经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO₂。

（二）精还原铁粉是一种重要的化工原料，某兴趣小组对其进行下列研究：

【物质制备】

利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下：

粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe₃C杂质，可用氢气在高温下进一步还原，其反应方程式为

Fe_xO_y+yH₂xFe+yH₂O，Fe₃C+2H₂3Fe+CH₄。

【含量测定】

为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数，按图装置进行实验。

已知3CH₄+4Fe₂O₃3CO₂+6H₂O+8Fe（假设每步反应都完全，且不考虑装置内原有空气对测定结果的影响）。

（1）主要实验步骤如下：

①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，称量样品和必要装置的质量；

②缓缓通入纯净干燥的H₂；

③点燃酒精灯，        （填“先点A处，后点C处”或“先点C处，后点A处”）；

④分别熄灭A处、C处酒精灯；

⑤再缓缓通入少量H₂；

⑥再次称量必要装置的质量

（2）步骤②的目的是        ，验证该步骤目的达到的实验方法是        ；

（3）若缺少装置D，则所测氧元素的质量分数将        （填“偏大”，“偏小”或“不变”）。

（4）粗还原铁粉样品的质量为15.000g，装置B、E分别增重0.270g和0.330g，则计算样品出中碳、氧元素的质量分数分别是        。（列出计算过程，2分）

Answer

3CO+Fe2O32Fe+3CO2；将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的。

（一）【提出问题】3C+2Fe2O3高温4Fe+3CO2↑

【进行实验】②通CO；防止液体倒吸进入硬质粗玻璃管，造成炸裂且防止高温下铁又被进入的空气氧化。

【实验现象】红色变为黑色；红色物质。

【完善实验】澄清石灰水；Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O；黑色粉末变成红色。

（二）（1）③先点C处，后点A处。（2）排尽空气，防止爆炸；收集尾气，进行验纯。

（3）不变（4）w（C）=0.6%；w（O）=1.6%。

【解析】

试题分析∶根据所学知识和题中信息知，工业炼铁把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为：3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2；其中，石灰石起的作用是将矿石中的二氧化硅等杂质转变为炉渣而除去的。（一）甲组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究。【提出问题】单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为3C+2Fe2O3高温4Fe+3CO2↑。为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？【猜想与假设】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全。【进行实验】①称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入图1装置A的试管中；另一份放入图1装置B的玻璃管中。②图1装置A和B两组实验同时开始进行。在图1装置B的反应中，实验开始前应先通CO；实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是防止液体倒吸进入硬质粗玻璃管，造成炸裂且防止高温下铁又被进入的空气氧化。【实验现象】当图1装置B的玻璃管中固体完全由红色变为黑色时；图1装置A的试管中仍有红色物质。【解释与结论】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。【完善实验】甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生。为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO2，将该气体通过图2的检验装置。图2A装置中的试剂是澄清石灰水；图2B装置中的试剂是氢氧化钠溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO2═Na2CO3+H2O ）；证明原混合气体中CO2存在的化学方程式是Ca（OH﹚2+CO2=CaCO3↓+H2O；证明原混合气体中CO存在的实验现象是黑色粉末变成红色。经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO2。（二）精还原铁粉是一种重要的化工原料，某兴趣小组对其进行下列研究：【物质制备】利用绿矾制备精还原铁粉的工艺流程如下：粗还原铁粉中还含有少量铁的氧化物和Fe3C杂质，可用氢气在高温下进一步还原，其反应方程式为FexOy+yH2高温xFe+yH2O，Fe3C+2H2高温3Fe+CH4。【含量测定】为得到精还原铁粉并测定粗还原铁粉中氧和碳元素的质量分数，按图装置进行实验。已知3CH4+4Fe2O3高温3CO2+6H2O+8Fe（1）主要实验步骤如下：①按顺序组装仪器，检查装置的气密性，称量样品和必要装置的质量；②缓缓通入纯净干燥的H2；③点燃酒精灯，先点C处，后点A处。④分别熄灭A处、C处酒精灯；⑤再缓缓通入少量H2；⑥再次称量必要装置的质量。（2）步骤②的目的是排尽空气，防止爆炸；验证该步骤目的达到的实验方法是收集尾气，进行验纯。（3）若缺少装置D，则所测氧元素的质量分数将不变。（4）粗还原铁粉样品的质量为15.000g，装置B、E分别增重0.270g和0.330g，则计算样品出中碳、氧元素的质量分数分别是∶0.330g×﹙12／44×100％﹚／15.0g×100％＝0.6%；0.270g×﹙16／18×100％﹚／15.0g×100％＝1.6%。

考点∶考查实验探究的基本思路和方法。