Question

某化学兴趣小组想对某次高炉炼铁得到的生铁中铁的质量分数进行探究，请按要求完成下列探究报告．
实验目的：
测定生铁中铁的质量分数．
资料支撑：
生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素．碳在生铁中以两种形态存在：一种是单质碳（石墨），另一种是化合碳（如Fe₃C等）；硅、锰、磷、硫存在形式较为复杂；这些物质通常都不与稀硫酸发生化学反应．
设计思路：
要测定生铁中铁的质量分数，必须先通过实验测定并计算铁的质量，基本思路是______．
实验过程：
①取一只烧杯，称得其质量为70.4g，加入一定量生铁的样品碎屑，称得烧杯和样品的总质量为102.4g；
②向盛有生铁样品的烧杯中加入稀硫酸，边加边搅拌，直到烧杯中不再产生气泡，再加入少量稀硫酸以确保过量，测得共用去稀硫酸247.3g；
③静置，称量．称得烧杯和剩余物质的总质量为348.7g．
数据处理：计算该生铁样品中单质铁的质量分数是多少？（写出计算过程）
交流讨论：
（1）实验过程中稀硫酸要过量的原因是：______；
（2）经质检部门精确测定，该样品中铁元素的总含量为95.2%．假设没有与稀硫酸反应的铁都以Fe₃C形式存在，则样品中Fe₃C的质量为______（计算结果保留一位小数）；
（3）该小组的同学还查阅到：一氧化碳具有可燃性，点燃一氧化碳与空气的混合物有可能爆炸．他们按下表中的体积比收集四瓶一氧化碳和空气的混合气，并点火实验，结果列于下表中：

V（CO）：V（空气）	3：7	5：5	7：3	8：2
点火处理	炸	炸	炸	不炸

①由上述实验可知，CO在空气混合气中的爆炸极限（体积分数）约为12.5%～______；
②由此我们得到启示：在点燃或加热一氧化碳前，一定要先______；
③一氧化碳还可用于炼铁，请写出一氧化碳与氧化铁反应的化学方程式：______ 2Fe+3CO₂

Answer

设计思路：根据实验目的和铁的性质分析实验的设计思路；
实验过程：烧杯中减少的质量是生成氢气的质量，根据铁与稀硫酸反应的化学方程式可以计算出样品中单质铁的质量．进而计算出样品中单质铁的质量分数．
交流讨论：（1）加入过量稀硫酸的目的是使铁全部反应；
（2）由样品质量和样品中铁元素的质量分数，可以计算出样品中铁元素的总质量，去掉单质铁的质量，就是没有与稀硫酸反应的铁元素的质量，根据物质中某元素的质量分数的计算公式可以计算出样品中Fe3C的质量；
（3）可燃性气体与空气混合点燃时可可能会发生爆炸，点燃前一定要验纯，根据表格数据判断爆炸极限，根据一氧化碳和氧化铁反应的生成物和条件书写化学方程式．
【解析】
设计思路：要测定生铁中铁的质量分数，可根据铁能和酸反应生成氢气，其他杂质和酸不反应，可根据氢气的质量计算出铁的质量，进而算出质量分数．故答案为：将生铁样品与过量稀硫酸反应，并测定反应前后烧杯和烧杯内物质的质量差得出氢气的质量，再计算出铁的质量；
数据处理：
【解析】
氢气的质量=102.4g+247.3g-348.7g=1g
设铁的质量为x
Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑
56              2
x               1g

x=28g
铁的质量分数=28g/（102.4g-70.4g）×100%=87.5%
答：生铁样品中单质铁的质量分数是87.5%；
交流讨论：（1）实验过程中稀硫酸要过量的原因是保证将单质铁全部反应，使后面的实验结果更精确；
（2）生铁的样品的质量为102.4g-70.4g=32g，该样品中铁元素的总含量为32g×95.2%=30.464g，其中纯铁的质量为32g×87.5%=28g，则样品中Fe3C的质量为（30.464g-28g）÷=2.6g；
（3）①由上述实验可知，V（CO）：V（空气）=8：2时不爆炸，故CO在空气混合气中的爆炸极限的上限为 80%；
②在点燃或加热一氧化碳前，一定要先检验气体的纯度，防止发生爆炸；
③一氧化碳与氧化铁反应的化学方程式：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2．
故答案为：（1）保证将单质铁全部反应
（2）2.6g
（3）①80%   ②验纯   ③Fe2O3+3CO2Fe+3CO2