2 实验探究和证据推理是提升认知的重要手段。兴趣小组对“CO 还原$\ce{Fe_{2}O_{3}}$粉末”的实验进行探究。
【实验过程】按如图所示连接装置 A、B 并检查装置的气密性。玻璃管内装入$\ce{Fe_{2}O_{3}}$粉末,应从 a端通入 CO 一段时间后再点燃酒精灯,此操作的目的是
排尽装置内的空气,防止加热时发生爆炸
。
【实验现象】反应一段时间后,玻璃管内粉末由
红棕
色变成黑色,且生成的固体均能被玻璃管上方的磁铁吸引。广口瓶中出现白色沉淀,反应的化学方程式为
$\ce{Ca(OH)_{2} + CO_{2} = CaCO_{3}\downarrow + H_{2}O}$
。装置 B 的作用是① 检验并吸收反应生成的$\ce{CO_{2}}$;②
收集尾气,防止CO污染空气
。

【查阅资料】① 铁粉、$\ce{FeO}$、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$均为黑色固体;其中只有铁粉、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$能被磁铁吸引。② $\ce{FeO}$、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$固体不与硫酸铜溶液反应。
【提出猜想】对磁铁吸引的黑色固体成分有以下四种猜想:猜想Ⅰ:$\ce{Fe}$;猜想Ⅱ:$\ce{Fe_{3}O_{4}}$;猜想Ⅲ:$\ce{Fe}$和$\ce{Fe_{3}O_{4}}$;猜想Ⅳ:$\ce{Fe}$和$\ce{FeO}$。经初步分析,排除了猜想Ⅳ,理由是
只有铁粉、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$能被磁铁吸引,而此处生成的黑色固体均能被磁铁吸引,故没有$\ce{FeO}$
。
【实验验证】取少量反应后的黑色固体放入试管中,加入足量的硫酸铜溶液,振荡,充分反应后静置,若观察到黑色固体全部消失,则说明
猜想Ⅰ
(填“猜想Ⅰ”“猜想Ⅱ”或“猜想Ⅲ”)正确。
【拓展研究】
(1)进一步查阅资料,发现 CO 能溶于铜液(醋酸二氨合铜和氨水的混合液)。因此可在装置 A 后再连接装置 C,其目的是吸收尾气中的 CO。装置 A、C 的连接顺序是 b 连接
d
(填“c”或“d”)。
(2)已知$\ce{Fe_{3}O_{4}}$能溶于稀硫酸,反应的化学方程式为$\ce{Fe_{3}O_{4} + 4H_{2}SO_{4}\xlongequal{\;\;}FeSO_{4} + Fe_{2}(SO_{4})_{3} + 4H_{2}O}$,其中$\ce{Fe^{3+}}$遇到硫氰化钾溶液显血红色。为证明黑色粉末的成分,某同学取少量样品于烧杯中,加入过量稀硫酸,充分反应后,滴加硫氰化钾溶液,能证明黑色粉末中含有$\ce{Fe}$和$\ce{Fe_{3}O_{4}}$的现象是
有气泡产生,溶液变为血红色
。
解析:
【分析】
本题围绕CO还原$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的实验展开,需结合物质性质、实验操作目的、题目给定资料逐一分析:
1. 实验过程:CO是可燃性气体,与装置内空气混合后加热易发生爆炸,因此先通CO排尽装置内空气,避免危险。
2. 实验现象:$\ce{Fe_{2}O_{3}}$为红棕色,被CO还原后生成黑色固体;$\ce{CO_{2}}$与澄清石灰水反应生成碳酸钙白色沉淀;装置B除检验吸收$\ce{CO_{2}}$外,还能收集未反应的有毒CO,防止污染空气。
3. 提出猜想:根据资料,只有Fe和$\ce{Fe_{3}O_{4}}$能被磁铁吸引,题目中生成的黑色固体均能被磁铁吸引,说明不含不能被磁铁吸引的$\ce{FeO}$,故排除含$\ce{FeO}$的猜想Ⅳ。
4. 实验验证:Fe能与硫酸铜溶液反应,$\ce{Fe_{3}O_{4}}$和$\ce{FeO}$不反应,若黑色固体全部消失,说明只有Fe,对应猜想Ⅰ。
5. 拓展研究:装置C需让CO与铜液充分接触,因此气体从d端通入;Fe与稀硫酸反应有气泡,$\ce{Fe_{3}O_{4}}$与稀硫酸反应生成$\ce{Fe^{3+}}$,遇硫氰化钾显血红色,据此判断现象。
【解析】
【实验过程】CO是可燃性气体,与空气混合加热易爆炸,先通CO的目的是排尽装置内的空气,防止加热时发生爆炸。
【实验现象】$\ce{Fe_{2}O_{3}}$为红棕色粉末,反应后变为黑色;$\ce{CO_{2}}$与澄清石灰水反应的化学方程式为$\ce{Ca(OH)_{2} + CO_{2} = CaCO_{3}\downarrow + H_{2}O}$;装置B还能收集尾气中的CO,防止其污染空气。
【提出猜想】根据资料,只有铁粉、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$能被磁铁吸引,而生成的黑色固体均能被磁铁吸引,说明不含$\ce{FeO}$,故排除猜想Ⅳ。
【实验验证】加入足量硫酸铜溶液,若黑色固体全部消失,说明只有Fe(Fe与硫酸铜反应,$\ce{Fe_{3}O_{4}}$不反应,若有$\ce{Fe_{3}O_{4}}$则固体不会全部消失),故猜想Ⅰ正确。
【拓展研究】(1)装置C需让CO与铜液充分接触,因此b连接d;(2)Fe与稀硫酸反应有气泡产生,$\ce{Fe_{3}O_{4}}$与稀硫酸反应生成$\ce{Fe^{3+}}$,加硫氰化钾溶液显血红色,故现象为有气泡产生,溶液变为血红色。
【答案】
【实验过程】排尽装置内的空气,防止加热时发生爆炸
【实验现象】红棕;$\ce{Ca(OH)_{2} + CO_{2} = CaCO_{3}\downarrow + H_{2}O}$;收集尾气,防止CO污染空气
【提出猜想】只有铁粉、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$能被磁铁吸引,而此处生成的黑色固体均能被磁铁吸引,故没有$\ce{FeO}$
【实验验证】猜想Ⅰ
【拓展研究】(1) d (2) 有气泡产生,溶液变为血红色
【知识点】
一氧化碳还原氧化铁;二氧化碳的检验;金属的化学性质
【点评】
本题为实验探究题,结合物质性质与资料信息,考查实验操作目的、物质推断与检验,需逻辑分析题目信息得出结论,难度适中。
【难度系数】
0.6