Question

【题目】某研究性学习小组请你参与“研究铁与水蒸气反应所得固体物质的成分、性质及再利用”实验探究，并回答下列问题：

探究一：设计如图所示装置进行“铁与水蒸气反应”的实验(夹持仪器略) 。

（1）硬质玻璃管 B 中发生反应的化学方程式为：________________________________。

（2）装置 D的作用是_______________________。

探究二：设计如下实验方案确定反应后硬质玻璃管B 中黑色固体的成分（已知酸性KMnO4溶液能与盐酸发生反应）。

（3）待硬质玻璃管 B 冷却后，取少许其中的固体物质继续进行如下实验：

①试剂A是________，现象2为___________________ 。

②若现象1中溶液未变血红色，请从硬质玻璃管B中固体物质的成分分析可能的原因：________________________________________________________________________。

探究三：某学习小组设计用硬质玻璃管B中固体制备Fe3O4纳米材料的流程示意图如下：

已知：①浊液B中铁元素以FeOOH形式存在；

②在操作I中，相同条件下测得Fe3O4的产率与的关系如下图所示。

（4）在滤液A转化为浊液B反应完成后需再加热一段时间除去剩余H2O2，目的是_________。

（5）设浊液B中FeOOH的物质的量为amol，滤液A中的铁元素的物质的量为bmol。为使Fe3O4的产率最高，则＝_________。（填数值，保留3位有效数字）

Answer 1

【答案】3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2 除去H2中的水蒸气，防止E的玻璃管破裂 稀硫酸 酸性KMnO4溶液褪色 B中固体可能有Fe3O4 和Fe，Fe将Fe3+全部还原为Fe2+ 加热使其分解除去，防止其在步骤⑤中继续氧化＋2价铁元素 63.6%

【解析】

探究一：A中制取水蒸气，B中Fe和水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，C收集氢气、D用于干燥氢气，E中氢气还原CuO；
(1)高温条件下，Fe和水蒸气发生氧化还原反应生成四氧化三铁和氢气；
(2) 装置 D有除去H2中的水蒸气，防止E的玻璃管破裂的作用。
探究二：(3)铁离子和KSCN反应生成络合物而使溶液呈血红色，亚铁离子和KSCN不反应；
亚铁离子具有还原性，能被酸性高锰酸钾溶液氧化。

探究三：B中固体（主要成分为Fe3O4和少量Fe）与稀盐酸反应得到的滤液A溶质为氯化铁、氯化亚铁、过量的稀盐酸，加入铁粉还原铁离子：2Fe3++Fe=3Fe2+，过滤过量的铁，滤液B的溶质为氯化亚铁，加入氢氧化钠溶液，生成Fe（OH）2浑浊液，向浑浊液中加入双氧水氧化：2Fe（OH）2+H2O2=2FeOOH+2H2O，反应完成后需再加热一段时间除去剩余H2O2，再与氯化亚铁加热搅拌发生反应：2FeOOH+Fe2++2OH-Fe3O4+2H2O，过滤、洗涤、干燥得产品Fe3O4，据此分析解答。

探究一、A中制取水蒸气、B中Fe和水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，C收集氢气、D用于干燥氢气，E中氢气还原CuO；
(1)高温条件下，Fe和水蒸气发生氧化还原反应生成四氧化三铁和氢气，反应方程式为3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2，

因此，本题正确答案是：3Fe + 4H2O(g) Fe3O4 + 4H2；

(2) 装置 D有除去H2中的水蒸气，防止E的玻璃管破裂的作用，
因此，本题正确答案是：除去H2中的水蒸气，防止E的玻璃管破裂。
探究二：(3)铁离子和KSCN反应生成络合物而使溶液呈血红色，亚铁离子和KSCN不反应，向溶液中加入KSCN溶液呈红色，说明含有四氧化三铁，可能含有Fe；铁离子和Fe反应生成亚铁离子，不变红色说明固体中含有四氧化三铁和Fe，

①根据实验流程试剂A应是稀硫酸，亚铁离子具有还原性，能被酸性高锰酸钾溶液氧化，所以可以用酸性高锰酸钾溶液检验亚铁离子，现象2为酸性KMnO4溶液褪色，

因此，本题正确答案是：稀硫酸；酸性KMnO4溶液褪色；

②若现象1中溶液未变血红色，说明B中固体可能有Fe3O4 和Fe，Fe将Fe3+全部还原为Fe2+，
因此，本题正确答案是：B中固体可能有Fe3O4 和Fe，Fe将Fe3+全部还原为Fe2+；

探究三：（4）步骤④中，浊液D中的氢氧化亚铁与过氧化氢反应生成FeOOH，反应为：2Fe（OH）2+H2O2=2FeOOH+2H2O；步骤④中，防止其在步骤⑤中继续氧化+2价铁元素，反应完成后需再加热一段时间除去剩余H2O2；

因此，本题正确答案是：加热使其分解除去，防止其在步骤⑤中继续氧化＋2价铁元素；
（5）设浊液B中FeOOH的物质的量为amol，滤液A中的铁元素的物质的量为bmol。

则滤液A中与FeOOH反应的亚铁离子物质的量为(b-a)mol，由图可知=1.75时，Fe3O4的产率最高，则=1.75，解得：=0.636；
因此，本题正确答案是：0.636。