Question

4．某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分进行研究．
（1）提出假设  ①该反应的气体产物是CO₂．
②该反应的气体产物是CO．
③该反应的气体产物是CO₂、CO的混合物．
（2）设计方案  如图所示，将一定量的氧化铁在隔绝空气的条件下与过量炭粉完全反应，测定参加反应的碳元素与氧元素的质量比．

（3）查阅资料
氮气不与碳、氧化铁发生反应．实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO₂）
饱和溶液混合加热反应制得氮气．
请写出该反应的离子方程式：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O．
（4）实验步骤
①按上图连接装置，并检查装置的气密性，称取3.20g氧化铁、2.00g碳粉混合均匀，放入48.48g的硬质玻璃管中；
②加热前，先通一段时间纯净干燥的氮气；
③停止通入N₂后，夹紧弹簧夹，加热一段时间，澄清石灰水（足量）变浑浊；
④待反应结束，再缓缓通入一段时间的氮气．冷却至室温，称得硬质玻璃管和固体总质量为52.24g；
⑤过滤出石灰水中的沉淀，洗涤、烘干后称得质量为2.00g．
步骤②、④中都分别通入N₂，其作用分别为步骤②中是为了排尽空气；步骤④是为了赶出所有的CO₂，确保完全吸收．
（5）数据处理
试根据实验数据分析，写出该实验中氧化铁与碳发生反应的化学方程式：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑．
（6）实验优化  学习小组有同学认为应对实验装置进一步完善．
①甲同学认为：应将澄清石灰水换成Ba（OH）₂溶液，其理由是Ba（OH）₂溶解度大，浓度大，使CO₂被吸收的更完全；M（BaCO₃）＞M（CaCO₃），称量时相对误差小．
②从环境保护的角度，请你再提出一个优化方案将此实验装置进一步完善：在尾气出口处加一点燃的酒精灯或增加一尾气处理装置．

Answer 1

分析 （1）根据过量炭粉与氧化铁反应的气体产物可能有①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物得出假设③；
（3）氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO2）饱和溶液混合加热反应可以制得氮气；
（4）⑤根据前后两次通入氮气的时间和减小实验误差角度来分析；
（5）根据质量守恒判断气体的组成，根据质量关系计算气体的物质的量之间的关系，进而书写化学方程式；
（6）①根据氢氧化钙和氢氧化钡的本质区别进行分析；
②一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃来进行尾气处理．

解答 解：（1）过量炭粉与氧化铁反应的气体产物可能有：①CO、②CO₂、③CO₂、CO的混合物，则假设③为：CO₂、CO的混合物，
故答案为：CO₂、CO的混合物；
（3）氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO₂）饱和溶液混合加热反应制得氮气，反应物有NH₄Cl和NaNO₂，生成物为N₂，根据质量守恒还应用水，则反应的化学方程式为：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O，
故答案为：NH₄⁺+NO₂^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2H₂O；
（4）如果不排尽空气，那么空气中的氧气会与炭粉反应影响反应后生成气体的组成，所以利用稳定的氮气排空气，最后确保完全吸收，反应后还要赶出所有的CO₂，
故答案为：步骤②中是为了排尽空气；步骤④是为了赶出所有的CO₂，确保完全吸收；
（5）3.20g氧化铁的物质的量为=$\frac{3.2g}{160g/mol}$=0.02mol，澄清石灰水变浑浊，说明有CO₂气体生成，
则n（CO₂）=n（CaCO₃）=$\frac{2.0g}{100g/mol}$=0.02mol，m（CO₂）=0.02mol×44g/mol=0.88g，
反应后硬质玻璃管和固体总质量变化为1.44g大于0.88g，则生成其气体为CO₂、CO的混合物，混合气体中含有CO0.08mol，所以CO、CO₂的混合气体物质的量比为4：1，所以方程式为：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑，
故答案为：2C+Fe₂O₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe+CO↑+CO₂↑；
（6）①将澄清石灰水换成Ba（OH）₂溶液的理由是Ba（OH）₂溶解度大，浓度大，使CO₂被吸收的更完全；M （BaCO₃）＞M（CaCO₃），称量时相对误差小，
故答案为：Ba（OH）₂溶解度大，浓度大，使CO₂被吸收的更完全；M （BaCO₃）＞M（CaCO₃），称量时相对误差小；
②一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃进行尾气处理，
故答案为：在尾气出口处加一点燃的酒精灯或增加一尾气处理装置．

点评 本题主要考查的是物质组成与含量的测定、性质实验方案的设计，题目难度中等，涉及离子反应方程式、化学方程式书写、环境保护、实验方案的设计与评价等知识，试题知识点较多、综合性较强，充分考查学生的分析能力及化学实验、化学计算能力．