Question

探究铁在某浓度H₃PO₄和H₂O₂的混合溶液中反应的情况，进行如下实验：

实验	操作	现象
Ⅰ	将除去氧化膜的铁钉置于烧杯中，加入30mL1.0mol•L^-1H3PO4和3mL30%H2O2的混合溶液(pH≈1)。	一段时间后铁钉表面突然产生大量气泡，随后停止产生气泡；一段时间后再产生大量气泡，再停止，出现周而往复的现象。过程中，溶液保持澄清。
Ⅱ	将与实验Ⅰ相同的铁钉放入烧杯中，加入30mL1.0mol•L^-1H3PO4和3mLH2O。	片刻后铁钉表面持续产生气泡，溶液保持澄清。

已知：Fe₃(PO₄)₂难溶于水，Fe(H₂PO₄)₂溶于水。

(1)用85%H₃PO₄配制100mL1.0mol·L^-1H₃PO₄所用的玻璃仪器有量筒、烧杯、玻璃棒、胶头滴管、______。

(2)请结合实验Ⅱ中现象，分析铁钉与H₃PO₄反应的产物_______。

(3)探究实验Ⅰ中停止产生气泡的原因。

提出假设：铁钉表面形成了含有+3价铁的氧化膜将铁钉覆盖。甲同学进行实验Ⅲ，得出假设成立的结论。

实验Ⅲ：将洗净的实验Ⅰ中无气泡产生时的铁钉置于试管中，加入滴有KSCN溶液的稀H₂SO₄，振荡，静置，溶液呈红色。

乙同学认为实验Ⅲ无法证实假设成立，其理由是未排除O₂的干扰，请解释O₂是如何干扰实验的：_____。

乙同学通过改进实验证实了假设成立。

(4)铁钉表面突然产生大量气泡的可能原因是Fe²⁺迅速被H₂O₂氧化形成氧化膜，使聚集在铁钉表面的H₂脱离铁钉表面。形成氧化膜(以Fe₃O₄计)的离子方程式是____。

(5)实验Ⅰ中周而往复的现象与铁钉表面氧化膜的生成和溶解密切相关，从反应的速率角度分析其原因：______。

Answer

100mL容量瓶 Fe+2H3PO4=Fe(H2PO4)2+H2↑ 氧气在酸性条件下可以将亚铁离子氧化成铁离子，发生反应4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O 3Fe2++H2O2+2H2O=Fe3O4+6H+ 铁与磷酸反应生成氢气和Fe2+，Fe2+在铁钉表面迅速被氧化形成氧化膜，使聚集在铁钉表面的氢气脱离；随后发生磷酸溶解氧化膜的慢反应，氧化膜覆盖铁钉表面时不产生气泡，当氧化膜溶解后，铁又与磷酸反应产生氢气

【解析】

题目是进行探究性实验，在实验Ⅰ中，铁钉表面产生气泡，是因为铁与H3PO4反应生成氢气，因为溶液保持澄清，根据信息可知还生成了溶于水的Fe(H2PO4)2，一段时间后再产生大量气泡，再停止，出现周而往复的现象，与实验Ⅱ对比可知是H2O2发生了作用，结合题目信息可知双氧水可将亚铁离子氧化成铁离子形成氧化膜，使聚集在铁钉表面的氢气脱离；随后发生磷酸溶解氧化膜的慢反应，氧化膜覆盖铁钉表面时不产生气泡，当氧化膜溶解后，铁又与磷酸反应产生氢气。

(1)配制100mL1.0mol·L-1H3PO4所用的玻璃仪器有量筒、烧杯、玻璃棒、胶头滴管、100mL容量瓶；

(2)在实验Ⅰ中，铁钉表面产生气泡，是因为铁与H3PO4反应生成氢气，因为溶液保持澄清，根据信息可知还生成了Fe(H2PO4)2，化学方程式为Fe+2H3PO4=Fe(H2PO4)2+H2↑；

(3)氧气在酸性条件下可以将亚铁离子氧化成铁离子，发生反应4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O，故实验Ⅲ无法证实假设成立；

(4)亚铁离子被H2O2溶液形成氧化为Fe3O4，根据电子守恒和元素守恒可得离子方程式为：3Fe2++H2O2+2H2O=Fe3O4+6H+；

(5)根据分析可知原因为：铁与磷酸反应生成氢气和Fe2+，Fe2+在铁钉表面迅速被氧化形成氧化膜，使聚集在铁钉表面的氢气脱离；随后发生磷酸溶解氧化膜的慢反应，氧化膜覆盖铁钉表面时不产生气泡，当氧化膜溶解后，铁又与磷酸反应产生氢气，