Question

钢材在社会发展中应用广泛。为研究某种碳素钢(含少量碳和硫)的成分，科研小组进行了如下探究活动：称取碳素钢(已除表面氧化物)97.50 g放入耐高温反应管中与O₂反应，除去未反应的O₂，收集到干燥混合气体X 1.12 L(已折算成标准状况下的体积)。

(1)碳素钢属于___________材料(填标号)

A．有机高分子材料   B．金属材料   C．无机非金属材料     D．复合材料

(2)科研小组用下图所示实验装置检验混合气体X的组成。

①装置B中的试剂是______________，装置C的作用是______________。

②若观察到_________________(填实验现象)，证明X中含有CO。

(3)反应后，耐高温反应管内固体中除含有Fe^3＋之外，还可能含有Fe^2＋。要确定其中的Fe^2＋，可选用________(填序号)。

a．稀H₂SO₄和KMnO₄溶液                        b．KSCN溶液和铁粉

c．稀盐酸和K₃[Fe(CN)₆]溶液                        d．KSCN溶液和氯水

(4)科研小组用下图所示装置(部分)测定SO₂的体积分数，并计算碳素钢的含碳量。将气体X 缓慢通过实验装置，当观察到___________________(填实验现象)时，停止通气，此时气体流量仪显示的流量为224 mL(已换算成标准状况下的体积)。装置Ⅲ中的化学反应方程式为________________，碳素钢中碳元素的质量分数为_________(保留1位小数)。

Answer

B 品红溶液 验证X中是否含有CO2 E中黑色固体逐渐变红，F中澄清石灰水变浑浊 ac Ⅲ中溶液由蓝色突变为无色 SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI 0.6%

【解析】

碳素钢是铁合金，属于金属材料，主要成分是Fe，其中含有的杂质主要是C、S将其高温煅烧，Fe变为铁的氧化物，其中的杂质C可能被氧化为CO2、CO，S被氧化产生SO2，用A装置中酸性高锰酸钾溶液氧化SO2产生硫酸除去SO2，再用B的品红溶液来检验SO2是否除净，然后通过装置C检验CO2的产生，然后经过装置D除去未反应的CO2，并对气体进行干燥，利用CO的还原性：CO+CuOCO2+Cu，可根据E装置中固体颜色的变化及F中石灰水检验CO的产生；根据碘单质与SO2的关系式SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI，计算SO2的体积，再根据二氧化硫的体积可计算出一氧化碳和二氧化碳的体积，最后根据碳守恒从而解答碳元素的质量分数。

(1)碳素钢是铁合金，属于金属材料，故合理选项是B；

(2)①SO2和CO2都能使澄清石灰水变浑浊，但SO2具有漂白性，能使品红溶液褪色，所以要检验CO2必须先排除SO2的干扰，B装置是检验SO2是否除尽，要用品红溶液，装置C的作用是验证X中是否含有CO2；

②装置D中碱石灰作用是吸收产生的CO2，图中装置E中有黑色的CuO粉末，可以用来检验是否有CO，若X中含有CO，E中会发生反应：CO+CuOCO2+Cu，反应产生的Cu单质为红色，生成的二氧化碳气体通入F中，能够使澄清石灰水变浑浊，所以可根据E中黑色固体逐渐变红色，F中澄清石灰水变浑浊来证明X中含有CO；

(3)要确定是否含Fe2+，首先选择非氧化性酸将固体溶解；Fe2+具有还原性，能还原酸性高锰酸钾溶液而使其褪色；另外，Fe2+也可与K3[Fe(CN)6]反应产生蓝色沉淀，来确定固体中是否含有Fe2＋，故选用试剂序号为ac；

(4)由题意，X气体中含有二氧化硫，二氧化硫具有还原性，碘单质具有氧化性，两者反应：SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI，I2遇淀粉会变蓝，若恰好反应完全，即Ⅲ中无碘单质，此时溶液恰好由蓝色突变为无色；根据方程式可知关系式：SO2～I2，所以n(SO2)=n(I2)=25×10-3L×0.01 mol/L=2.5×10-4mol，则SO2的体积分数：(2.5×10-4mol×22.4 L/mol)÷0.224 L×100%=2.5%，由于气体X总体积为1.12 L，则原气体中含有CO和CO2的体积1.12 L×(1-2.5%)=1.092 L，根据C元素守恒可知n(C)==0.04875 mol，m(C)= 0.04875 mol×12 g/mol=0.585 g，所以该碳素钢中碳元素的质量分数为：×100%=6%。