Question

早在春秋戰(zhàn)國時期，我國就開始生產(chǎn)和使用鐵器．工業(yè)煉鐵把鐵礦石和焦炭、石灰石一起加入高爐，在高溫下，利用焦炭與氧氣反應(yīng)生成的一氧化碳把鐵從鐵礦石里還原出來．一氧化碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為：

 

．其中，石灰石起作用

 

．
某化學(xué)興趣小組同學(xué)在學(xué)習(xí)煉鐵的相關(guān)內(nèi)容時，對煉鐵時還原劑的選擇進(jìn)行了如下探究．
【提出問題】單質(zhì)碳也具有還原性，碳還原氧化鐵的化學(xué)方程式為

 

．為什么工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石？
【猜想與假設(shè)】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)不易完全．
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項如下：
①稱取兩份相同質(zhì)量的氧化鐵粉末．一份與足量的碳粉均勻混合放入圖1裝置A的試管中；另一份放入圖1裝置B的玻璃管中．

②圖1裝置A和B兩組實(shí)驗(yàn)同時開始進(jìn)行．在圖1裝置B的反應(yīng)中，實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)先

 

（選填“通CO”或“加熱”）； 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫，其原因是

 

．
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】當(dāng)圖1裝置B的玻璃管中固體完全由

 

時（選填“紅色變?yōu)楹谏�”或“黑色變�(yōu)榧t色”），圖1裝置A的試管中仍有

 

．
【解釋與結(jié)論】焦炭和鐵礦石都是固體，接觸面積小，反應(yīng)確實(shí)不易完全，這可能是工業(yè)上不用焦炭作為還原劑直接還原鐵礦石的一個原因．
【完善實(shí)驗(yàn)】聯(lián)想到單質(zhì)碳的一些化學(xué)性質(zhì)，甲同學(xué)認(rèn)為在碳還原氧化鐵的反應(yīng)中可能還會有CO產(chǎn)生．為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，將該氣體通過圖2的檢驗(yàn)裝置．圖2A裝置中的試劑是（寫名稱，下同）

 

，圖2B裝置中的試劑是氫氧化鈉溶液，用以吸收二氧化碳（2NaOH+CO₂═Na₂CO₃+H₂O ）；證明原混合氣體中CO₂存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是

 

；證明原混合氣體中CO存在的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是

 

；經(jīng)過檢驗(yàn)，證實(shí)碳還原氧化鐵所得的氣體中確實(shí)含有CO和CO₂，因此圖1裝置A的不足之處是

 

．
【拓展延伸】要煉出含鐵96%的生鐵4000t，至少需要含氧化鐵80%的赤鐵礦石的質(zhì)量是多少？（請寫出詳細(xì)的計算過程，結(jié)果保留一位小數(shù)）

Answer 1

考點(diǎn)：鐵的冶煉,常見氣體的檢驗(yàn)與除雜方法,一氧化碳還原氧化鐵,含雜質(zhì)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)的有關(guān)計算,碳的化學(xué)性質(zhì)

專題：金屬與金屬材料

分析：根據(jù)書寫化學(xué)方程式的步驟：寫配注等，正確寫出方程式；在煉鐵中石灰石起作用是將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去；
【提出問題】熟記碳還原氧化鐵的化學(xué)反應(yīng)式；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】②根據(jù)可燃性氣體與空氣混合加熱時有爆炸的危險考慮；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】根據(jù)氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色分析判斷現(xiàn)象；
【完善實(shí)驗(yàn)】根據(jù)澄清石灰水可以檢驗(yàn)二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳?xì)怏w考慮；
【拓展延伸】將不純物的質(zhì)量換算為純凈物的質(zhì)量，然后根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行計算．

解答：解：根據(jù)書寫化學(xué)方程式的步驟，煉鐵原理的化學(xué)方程式為：Fe₂O₃+3CO

高溫  .

2Fe+3CO₂ ；在煉鐵中石灰石起作用是將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去；
【提出問題】碳與氧化鐵在高溫的條件下反應(yīng)生成鐵和二氧化碳；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】為防止一氧化碳與空氣混合加熱時，引起爆炸，在實(shí)驗(yàn)前要先通入CO；防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)繼續(xù)通入CO直至冷卻至室溫；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】因氧化鐵是紅色，鐵粉是黑色，B中的氧化鐵被完全還原后，由紅色變成黑色．此時由于A中的氧化鐵還沒有被完全還原，仍有紅色物質(zhì)；
【完善實(shí)驗(yàn)】為了證明碳還原氧化鐵所得的氣體中含有CO和CO₂，澄清石灰水可以檢驗(yàn)二氧化碳、氫氧化鈉溶液可以吸收二氧化碳、一氧化碳可以還原氧化銅并生成二氧化碳?xì)怏w，所以先用圖2中的A檢驗(yàn)二氧化碳的存在，為防止二氧化碳影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，再用圖2中的B中的氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳，連接圖2中的C，如果氧化銅由黑色變成紅色，圖2D中的澄清石灰水變渾濁，說明有一氧化碳?xì)怏w．因有一氧化碳存在，要進(jìn)行尾氣處理，而圖中缺少此裝置；
【拓展延伸】設(shè)至少需要含氧化鐵80%的赤鐵礦石的質(zhì)量是x．
3CO+Fe₂O₃

高溫  .

 2Fe+3CO₂
    160         112
    80% x     4000t×96%

160

112

=

80%x

4000t×96%

x=6857.1t
答：至少需要含氧化鐵80%的赤鐵礦石6857.1t．
故答案為：3CO+Fe₂O₃

高溫  .

2Fe+3CO₂；將礦石中的二氧化硅等雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闋t渣而除去的；
【提出問題】3C+2Fe₂O₃

高溫  .

4Fe+3CO₂↑；
【進(jìn)行實(shí)驗(yàn)】通CO；防止高溫下鐵又被進(jìn)入的空氣氧化；
【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】紅色變?yōu)楹谏�；紅色物質(zhì)；
【完善實(shí)驗(yàn)】澄清的石灰水；石灰水變渾濁；黑色粉末變成紅色；缺少尾氣處理裝置；
【拓展延伸】6857.1t．

點(diǎn)評：本題以實(shí)驗(yàn)探究的形式考查化學(xué)反應(yīng)式的書寫、實(shí)驗(yàn)中的注意事項、以及不用碳還原氧化鐵的原因，還有相關(guān)的拓展實(shí)驗(yàn)，可謂考查詳盡，即考查了知識，又培養(yǎng)了學(xué)生的細(xì)心、耐心分析解決問題的能力．利用化學(xué)方程式進(jìn)行計算時，所使用物質(zhì)的質(zhì)量均為純凈物的質(zhì)量，因此解答此題時需要明確生鐵與鐵、赤鐵礦與氧化鐵的關(guān)系．