Question

某化学兴趣小组的同学为了探究铁生锈的因素，设计了下图装置进行实验。实验时，他们将一枚洁净的铁钉放入食盐水中（如右下图，装置气密性良好），一段时间后，进行观察。请你一起参与分析，并完成后续实验设计。

【观察现象】

①装置右侧U形管中的红墨水液面左高右低；②铁钉生锈，试管底部有黑色固体物质。

【提出问题】U形管中的红墨水液面为何左高右低？黑色固体物质又是什么？

【理论分析】该小组的同学根据已学过的知识分析得知，红墨水液面左高右低的原因是                                                  。

【猜想与假设】该小组中的小明同学猜测该黑色固体可能含有：①Fe，②Fe₂O₃，③FeCl₃，④C，四种物质。

【分析与验证】该实验小组同学根据小明的四种猜测做了以下分析：

（1）小红同学认为不可能含有氯化铁，该结论得到小组同学的认可，理由是：            

                                                                  。

（2）小强同学认为一定含有碳，该结论也得到小组同学的认可，理由是：                 

                                                                  。

（3）该小组的同学不能确定黑色固体中是否含有铁，请你帮助他们设计方案进行确认：

实验步骤	实验现象	实验结论
你选用的试剂是：                。

【知识链接】相信你一定在家中做过铁钉分别在水和食盐水中生锈的实验，你的结论之一是铁钉在

           （填“水”或“食盐水”）中生锈快。

【继续探究】请你继续设计实验探究影响铁钉生锈快慢的其它因素，若正确，本题另奖励4分，化学试卷总分不超过60分。

Answer

【理论分析】铁生锈消耗试管内的部分氧气，使其内部压强减小，U形管中红墨水在大气压的作用下而出现左高右低。

【分析与验证】（1）FeCl3易溶于水，且呈黄色。（2）铁钉中原本就含有少量的碳。

（3）设计方案（其它合理答案均可给分）

实验步骤

实验现象

实验结论

你选用的试剂是： 稀盐酸   。

    有气泡    

   有铁  

【知识链接】食盐水

【继续探究】本题为开放性试题，可从温度、氧气浓度、杂质（催化剂、电解质）、铁的表面积等外在因素考虑对铁生锈的影响。只要设计的实验方案合理，现象、结论叙述正确，均可奖励4分。如：将几枚铁钉放在含有空气和水分相同、温度不同（如20℃和30℃）的试管中，发现温度越高铁生锈的速率越快，得出铁生锈的速率与温度成正比关系。

【解析】

试题分析：【理论分析】铁钉生锈是铁在氧气和水的共同作用下的结果，由于该反应消耗了试管内的氧气，使试管内的压强变小，低于外界大气压，故在外界大气压强的作用下，右侧U形管中的红墨水的液面会左高右低。

【分析与验证】（1）根据题意，“试管底部有黑色固体物质”，说明该黑色物质不溶于水，而氯化铁是易溶于水的物质，所以试管底部的黑色固体物质不可能是氯化铁。

（2）因为铁钉是铁的合金制成的，而铁合金中含有碳，而且碳在一般条件下不与其他物质反应，所以试管底部的黑色固体物质中含有碳。

（3）要想确定黑色固体中是否含有铁，可根据铁的性质分析并设计实验验证，如铁与稀酸能反应并生成气体，故可以取少量固体并向其中加入几滴稀盐酸或稀硫酸，若有气泡产生说明含有铁；若无气泡产生说明不含铁。

【知识链接】铁在水和氧气同时存在的条件下，容易生锈，且在酸和氯化钠的存在下，能使铁加速锈蚀。

【继续探究】温度、氧气的浓度、杂质（催化剂、电解质）、铁的表面积等外在因素都会影响铁的生锈，可选取其中一点进行验证，值得注意的是，一定要设计成对照实验，这样便于对比总结出规律，还要注意对照实验中的控制变量法，只能有一个可变量。如可将几枚铁钉放在含有空气和水分相同、温度不同（如20℃和30℃）的试管中观察，会发现温度越高铁生锈的速率越快，得出铁生锈的速率与温度成正比的关系。

考点：金属锈蚀的条件及其防护，实验方案的设计与评价