Question

某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁（Fe₂O₃）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

 

；
②该反应的气体产物是

 

；
③该反应的气体产物是

 

；
（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．请写出该反应的化学方程式：

 

；
（4）实验步骤
①按上图连接装置，并检查装置的气密性，称取4.80g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53.12g；
⑤过滤出石灰水中的沉淀，洗涤、烘干后称得质量为3.00g．
步骤②、④中都分别通入N₂，其作用分别为：
步骤②

 

；
步骤④

 

；
（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：

 

；
（6）实验优化
该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

 

；
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：

 

．

Answer 1

考点：探究物质的组成或测量物质的含量

专题：实验探究和数据处理题

分析：（1）根据假设①可以得出假设②、③的内容；
（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）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溶解度及生成沉淀的质量大小来思考；
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，故答案为：CO；CO₂；CO₂和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NaNO₂+NH₄Cl 

△   .

 N₂↑+NaCl+H₂O，
故答案为：NaNO₂+NH₄Cl 

△   .

 N₂↑+NaCl+H₂O；
（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：为了排尽空气；是将生成CO₂气体全部赶入澄清石灰水中，使CO₂被充分吸收；
（5）4.80g氧化铁的物质的量为=

4.80g

160g/mol

=0.03mol，澄清石灰水变浑浊，说明有CO₂气体生成，
则n（CO₂）=n（CaCO₃）=

3.00g

100g/mol

=0.03mol，m（CO₂）=0.03mol×44g/mol=1.32g，
反应后硬质玻璃管和固体总质量变化为48.48g+4.800g+2.00g-53.12g=2.16g，大于1.32g，则生成其气体为CO₂、CO的混合物，混合气体中含有CO质量为：2.16g-1.32g=0.84g，CO的物质的量为：

0.84g

28g/mol

=0.03mol，所以CO、CO₂的混合气体物质的量比为1：1，所以方程式为：Fe₂O₃+2C 

△   .

CO↑+CO₂↑+2Fe，
故答案为：Fe₂O₃+2C 

△   .

CO↑+CO₂↑+2Fe；
（6）①将澄清石灰水换成Ba（OH）₂溶液，这样会使二氧化碳被吸收的更完全，称量时相对误差小，
故答案为：氢氧化钡的溶解度大，浓度大，使二氧化碳被吸收的更完全，碳酸钡的相对原子质量大于碳酸钙的，称量时相对误差小；
②一氧化碳是一种有毒气体，可以通过点燃来进行尾气处理，故答案为：在装置后加一个点燃的酒精灯除尾气CO或增加一尾气处理装置．

点评：本题是一道综合型的实验知识题目，考查学生分析和解决问题的能力，方程式的书写难度较大，注意利用数据计算．