Question

（14分）某研究性学习小组对过量炭粉与氧化铁反应的气体产物成分进行研究。设计方案如图，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。

	TiCl4	Mg	MgCl2	Ti
熔点/℃	-25.0	648.8	714	1667
沸点/℃	136.4	1090	1412	3287

（1）查阅资料：

①氮气不与炭粉、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）饱和溶液混合加热制得氮气。写出该反应的离子方程式：                       。

②使上述制得的气体通过___________装置方能获得干燥的N₂

（2）实验步骤：

①按图连接装置，并检查装置的气密性，称取3.20g氧化铁、2.00g炭粉混合均匀，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52.24g；

⑤过滤出石灰水中的沉淀，洗涤、烘干后称得质量为2.00g。步骤②、④中都分别通入N₂，其作用分别为                                                 。

（3）数据处理：

①试根据实验数据分析，该反应的气体产物是CO₂和CO,理由是____________________

②写出该实验中氧化铁与炭粉发生反应的化学方程式：                 。

（4）实验优化：

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                    。

②pC类似pH，是指极稀溶液中溶质物质的量浓度的常用对数负值。如某溶液溶质的浓度为：1×10^-3mol/L，则该溶液中该溶质的pC＝-lg1×10^-3＝3。现向0.2mol/LBa(OH)₂溶液中通入CO₂气体，沉淀开始产生时，溶液中CO₃^2-的PC值为_________（已知：lg2＝0.2；K_sp(BaCO₃)＝5.0×10^-9）

③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）① NH4+ + NO2-＝N2↑+2H2O （2分） （ 不配平不给分） ② B（2分）

（2）步骤②通入氮气的目的是排除装置中的O2（空气），（1分）步骤④通入氮气的目的是将生成的CO2全部通入澄清的石灰水中（1分）

（3）2C+Fe2O32Fe+CO↑+CO2 ↑ （2分）（不写条件扣1分，不配平不给分）

（4）①将澄清的石灰水换成Ba（OH）2溶解度大，浓度大，使CO2被吸收更完全；（1分）M（BaCO3）＞M（CaCO3），相对误差小。（1分） ②7.6（2分） ③从环保的角度来看生成的CO也要处理掉，因此应该在尾气出口处加一点燃的酒精灯或增加一尾气处理装置。 （合理均得分） （2分）

【解析】

试题分析：（1）①实验室可以用氯化铵饱和溶液和亚硝酸钠（NaNO2）饱和溶液混合加热制得氮气，则故原子守恒可知反应中还有氯化钠和水生成，则反应的离子方程式为NH4+ + NO2-＝N2↑+2H2O。

TiCl4

Mg

MgCl2

Ti

熔点/℃

-25.0

648.8

714

1667

沸点/℃

136.4

1090

1412

3287

②浓硫酸可以构造氮气，则使上述制得的气体通过B装置方能获得干燥的N2。

（2）由于装置中有空气，在加热的条件下空气能与镁反应，则步骤②通入氮气的目的是排除装置中的O2（空气）；由于反应中生成的CO2会残留在装置中，则步骤④通入氮气的目的是将生成的CO2全部通入澄清的石灰水中。

（3）①3.20g氧化铁中的碳元素如果完全转化为CO2，则可以生成碳酸钙沉淀的质量是，但实际产生的碳酸钙质量是2g，这说明反应中一定还有CO生成。

②根据以上分析可知实验中氧化铁与炭粉发生反应的化学方程式为2C+Fe2O32Fe+CO↑+CO2 ↑。

（4）①由于Ba（OH）2溶解度大，浓度大，使CO2被吸收更完全；且 M（BaCO3）＞M（CaCO3），相对误差小，所以应将澄清石灰水换成Ba(OH)2溶液。

②pC类似pH，是指极稀溶液中溶质物质的量浓度的常用对数负值。如某溶液溶质的浓度为：1×10-3mol/L，则该溶液中该溶质的pC＝-lg1×10-3＝3。现向0.2mol/LBa(OH)2溶液中通入CO2气体，

溶液中钡离子的浓度是0.2mol/L，则根据溶度积常数可知沉淀开始产生时溶液中CO32-的浓度是，则碳酸根的。

③反应中有CO生成，因此从环保的角度来看生成的CO也要处理掉，因此应该在尾气出口处加一点燃的酒精灯或增加一尾气处理装置。

考点：考查物质制备实验方案设计与探究