菱铁矿（主要成分是FeCO3）是炼铁的原料。已知FeCO3为白色固体，不溶于水，在干燥空气中稳定，潮湿环境中需较长时间被氧化为Fe(OH)3。I.（1）甲同学取一定量碳酸亚铁固体于烧杯中，加

Question

菱铁矿（主要成分是FeCO₃）是炼铁的原料。已知FeCO₃为白色固体，不溶于水，在干燥空气中稳定，潮湿环境中需较长时间被氧化为Fe(OH)₃。

I.（1）甲同学取一定量碳酸亚铁固体于烧杯中，加入足量水，将烧杯放置在天平左盘上，向右盘放入砝码至天平平衡。放置较长时间后（不考虑水分蒸发），观察到天平的指针会      （填“偏左”、“偏右”、“不发生偏转”）；放置过程中还可观察到的实验现象为                                。

II. 乙同学设计右图所示的装置制备FeCO₃。(FeSO₄和NaHCO₃溶液均用经煮沸后冷却的蒸馏水配制，并在FeSO₄溶液中加入少量铁粉)。滴加NaHCO₃溶液后观察到试管中出现白色沉淀，同时有大量无色气体生成。

（2）产生的气体是           (填分子式)。

（3）丙同学对白色沉淀的成分提出异议，并做出如下假设，请补充完成假设3：

假设1：白色沉淀是FeCO₃；假设2：白色沉淀是Fe(OH)₂；假设3：白色沉淀是      。

（4）若假设1成立，写出有关反应的化学方程式：              。

（5）若假设2成立，说明用经煮沸后冷却的蒸馏水配制FeSO₄和NaHCO₃溶液的目的是                                    。

请设计一个实验方案验证假设2成立，写出实验步骤、预期现象和结论，实验所需仪器和药品自选。

                                               。

   III.现取20.0g菱铁矿，向其中加入足量稀硫酸，充分反应，测得固体质量与所加稀硫酸的质量关系如下图所示。（假设菱铁矿中杂质不参加反应，且难溶于水。）

    （6）菱铁矿中FeCO₃的质量分数为               

（7）若将稀硫酸改成1 mol L^-1HNO₃，则该反应的离子方程式为               。将反应逸出的气体与一定量的O₂混合循环通入反应液中，目的是                  。

IV. 某铁锈成分为Fe₂O₃·xH₂O和FeCO₃。为确定其组成，兴趣小组称取此铁锈样品25.4g，在科研人员的指导下用下图装置进行实验。

    【查阅资料】①Fe₂O₃·xH₂O失去结晶水温度为110℃，FeCO₃在282℃分解为FeO和CO₂。②温度高于500℃时铁的氧化物才能被CO还原。
   （8）装配好实验装置后，首先要            。
   （9）装置A中的反应为：H₂C₂O₄ (草酸) CO↑+CO₂↑+H₂O。通过B、C装置可得到干燥、纯净的CO气体，洗气瓶B中应盛放             （选填序号）。
       a.浓硫酸        b.澄清的石灰水      c.氢氧化钠溶液
   （10）现控制D装置中的温度为300℃对铁锈进行热分解，直至D装置中剩余固体质量不再变化为止，冷却后装置E增重3.6g，装置F增重2.2g。
    则样品中FeCO₃的质量m(FeCO₃)＝       g，x＝        。
   （11）若缺少G装置，测得的m(FeCO₃)         （选填“偏大”、“偏小”、“不变”，下同），x的值会          。

Answer 1

【答案】(1) 偏右；白色固体变成红褐色固体（或产生气泡）  

(2) CO₂

(3)Fe(OH)₂和FeCO₃

 (4) FeSO₄+2NaHCO₃=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑+Na₂SO₄

(5)除去水中溶解的氧气，防止生成的Fe(OH)₂被迅速氧化；

向产生白色沉淀的试管中通入空气，若白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变为红褐色，则说明假设2成立。

　  (6) 58%  

    (7) 3FeCO₃+10H⁺+NO₃‾=3Fe³⁺+3CO₂↑+NO↑+5H₂O

           减少环境污染，NO跟H₂O、O₂反应后又得到硝酸，提高原料利用率

        (8)检查装置气密性

        (9) C

       (10) 5.8；   2

       (11) 偏大；偏大

【解析】(1) 在有水与空气下，放置较长时间后，碳酸亚铁会发生反应： 4FeCO₃+6H₂O+O₂=4Fe(OH)₃+4CO₂，从而使左边物质质量变大。颜色也由FeCO₃白色变为Fe(OH)₃红褐色。

   （2）根据提供的元素，溶液中产生的气体为CO₂。

   （3）根据组合可推知假设3为Fe(OH)₂和FeCO₃。

   （4）非氧化还原反应，根据元素守恒及产物的稳定性推知反应方程式为：

        FeSO₄+2NaHCO₃=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑+Na₂SO₄

   （5）煮沸后冷却的蒸馏水配制FeSO₄和NaHCO₃溶液可以除去水中溶解的氧气，防止生成的Fe(OH)₂被迅速氧化；而产物Fe(OH)₂验证可通过学生熟悉的颜色变化来设计。向产生白色沉淀的试管中通入空气，若白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变为红褐色，来证明Fe(OH)₂的存在。

   （6）从图中可看出FeCO₃的质量为11.6g，进而算出质量分数为58%。

   （7）运用氧化还原反应原理推知，与硝酸反应，铁的产物为+3价，稀硝酸还原产生为NO，为防止NO污染空气，且为提高原料利用率，需循环使用NO。本题答案要体现两点：减少环境污染；NO跟H₂O、O₂反应后又得到硝酸，提高原料利用率。

   （8）实验基本操作，装配好实验装置后，首先要检查装置气密性。

   （9）要除去CO₂最好选择氢氧化钠溶液，澄清的石灰水浓度低，碱性弱。

   （10）温度为300℃时，Fe₂O₃·xH₂O失去结晶水（分解温度为110℃），FeCO₃分解为FeO和CO₂（分解温度为282℃）。装置E增重3.6g为水，物质的量为0.2mol，即Fe₂O₃·xH₂O为0.2/xmol。装置F增重2.2g为二氧化碳，物质的量为0.05 mol，即FeCO₃物质的量为0.05 mol。

     0.05 mol FeCO₃质量为：0.05 mol×116 mol L^-1 = 5.8g

     则Fe₂O₃·xH₂O质量为：25.4g －5.8g ＝19.6 g 

           0.2/x mol×（160+18x）mol L^-1 =19.6 g    x = 2

   (11) 若缺少G装置，F会吸收部分空气中的水与二氧化碳而增重，使测得的m(FeCO₃)偏大，计算所得Fe₂O₃·xH₂O质量偏小，而计算出的x偏大。