初中化学金属资源的保护探究题

善于提出问题、探究问题和解决问题是学好化学的重要方法。某研究性学习小组的同学在学习铁及其化合物知识时进行了系列研究。
I．提出问题
问题1：铁为何称为黑色金属？
问题2：铁和氧气在不同条件下能发生哪些反应？
问题3：铁有多种氧化物，它们的性质有哪些差异？
问题4：钢铁厂在选矿时，如何测定铁矿石中的含铁量？
问题5：用一氧化碳还原氧化铁得到的黑色固体一定是单质铁吗？
II．解决问题
【问题1】上网查寻，有两种说法：
a．因为在铁表面有黑色的铁的氧化物，所以叫黑色金属。
b．因为铁的粉末为黑色，铁的氧化物也均为黑色，所以叫黑色金属。
（1）你认为正确的说法是（填"a"或"b"）。
【问题2】通过学习，已经知道铁丝在潮湿的空气中能生锈，也能在纯氧中燃烧。
（2）请写出一种防止钢铁生锈的方法。
（3）请写出铁丝在纯氧中燃烧的化学方程式 。
【问题3】查阅资料：
a．铁常见的氧化物有氧化铁( $F{e}_2{O}_3$)、四氧化三铁( $F{e}_3{O}_4$)和氧化亚铁 $FeO$)。
b．四氧化三铁是具有磁性的黑色晶体，可以近似地看作是氧化亚铁和氧化铁的化合物，它不溶于水，能与酸反应生成两种盐。
c．氧化亚铁是不溶于水的黑色粉末，能与酸反应，无磁性，也不能被磁铁吸引。
（4）请写出四氧化三铁与盐酸反应的化学方程式。
（5）有一包黑色粉末；可能是铁粉、 $F{e}_3{O}_4$粉末、 $FeO$粉末中的一种，请你设计一 种实验方案进行鉴别。
【问题4】同学们参观了某钢铁厂，了解到钢铁厂在选矿时测定铁矿石中含铁量的方法较多。小明结合所学知识，设计了如图所示的实验装置测定某赤铁矿样品中 $F{e}_2{O}_3$的质量分数。他称取l0.0g赤铁矿，当赤钛矿中的 $F{e}_2{O}_3$全部还原为 $Fe$时，剩余固体在 $CO$的保护下冷却、称量，质量为7.6g（假设赤铁矿中的杂质均不与 $CO$反应）。

（6）图中酒精灯的作用是。
（7）该赤铁矿中 $F{e}_2{O}_3$的质量分数为（列出计算过程）。
【问题5]在钢铁厂的实验室，同学们采集了用某种热分析仪记录的 $CO$与 $F{e}_2{O}_3$进行反应时的有关数据，并得到固体质量与反应温度的关系曲线，如图所示：

（8）根据图像分析，写出P点时固体成分的化学式，固体质量由48.0g变为46.4g的过程中发生反应的化学方程式为。

铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为                                     。某化学兴趣小组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究。
【提出问题】
单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为                    。
为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？
【猜想与假设】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全。
【查阅资料】氢氧化钠溶液和澄清石灰水化学性质类似，能与二氧化碳反应，但反应无明显现象。
【进行实验】实验步骤及注意事项如下：
①称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入下图装置A的试管中；另一份放入下图装置B的玻璃管中。
②装置A和B两组实验同时开始进行。在装置B的反应中，实验开始前应先        
（选填“通CO”或“加热”）； 实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是                                            。

【实验现象】当装置B的玻璃管中固体完全由                时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），装置A的试管中仍有                        。
【解释与结论】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。
【交流与反思】经过查阅资料和讨论，该小组同学发现除了上述原因外，工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其它原因，试写出其中的一个：            。
【完善实验】联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生。为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，将该气体通过下图的检验装置，正确的连接顺序是                  （选填字母，装置可重复使用）。经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO₂，因此装置A的不足之处是                                      。

现有含杂质的氧化铁样品（杂质不参加反应），为了测定该样品中氧化铁的质量分数，某同学称取样品10克，并用下图所示装置进行实验，得到以下两组实验数据．

	反应前	氧化铁完全反应后
A组	玻璃管和氧化铁样品的质量43.7g	玻璃管和固体物质的质量41.3g
B组	烧杯和澄清石灰水的质量180g	烧杯和烧杯中物质的质量186.2g

试回答：（1）你认为，应当选择　  　组实验数据来计算样品中氧化铁的质量分数，计算的结果为　    　
（2）这位同学所用实验装置的不足之处是　                        　．

化学实验课上老师要求分组除去铁制品和锈铜币表面的锈层并对废液进行处理。请你参与并回答相关问题。

(1)实验一：表面除锈
甲组：将锈铁器放入适量稀硫酸中，微热。观察到①溶液变成黄色，铁锈逐渐消失。一段时间后，②锈层完全消失，铁器表面有细小气泡产生，③黄色溶液逐渐变为浅绿色。
a)  现象①发生的化学反应方程式为：___________，
b)  ②中铁器表面的气泡是什么气体__    _；
c)  大家对现象③不理解，老师提示大家：金属单质铁和铜都可以将+3价的铁元素转变为+2价铁元素，其中铜发生的反应过程为2FeCl₃+Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂ 。
请你根据老师的提示推测产生现象③的原因            。（只写出有关反应的化学方程式）
乙组：（1）在锈铜钱中加入适量稀硫酸。观察到①绿色锈层很快消失，同时产生大量气泡，溶液变成蓝色 。②将气体收集，通入澄清石灰水，石灰水变浑浊。由此，小军等同学推断，绿色铜锈层中肯定含有的元素有_________。
(2)实验二：废液回收
废液桶中收集了溶有大量FeSO₄、CuSO₄的废水，若直接排放到下水道，不仅造成重金属污染而且浪费资源。小组讨论后设计了如下回收硫酸亚铁晶体和铜的实验方案：

请完成下列有关问题：
① 金属X是       ，其加入废水后发生反应的化学方程式为                   ；
利用溶液Y除去铜中杂质，有关反应的化学方程式为            。

某化学兴趣小组进行铁生锈的实验探究活动。

[探究一]铁生锈的条件
（1）该兴趣小组将洁净无锈的铁钉分别置于上图所示装置中，经过一段时间观察，（填装置序号）装置中出现了明显的锈迹。
他们的结论:铁生锈是因为铁与空气中的等发生了化学反应。
（2）甲同学提出了疑问:空气中的氮气、二氧化碳没有参与铁的生锈过程吗？请设计实验为甲同学释疑。，观察并记录现象即可证明。
[探究二]影响铁生锈速率快慢的因素
乙同学说:妈妈常说菜刀沾有盐水生锈更快。这种说法对吗？同学广泛查阅资料。
资料一:导电性强的溶液都可加速铁的生锈。
资料二:海上航行的轮船在与海水接触的部分镶嵌一锌块，能有效降低钢材被腐蚀的速率。
（3）将上述 $A$装置中的蒸馏水改为下列液体中的，可使铁生锈的速率加快。

A．

硫酸钠溶液

B．

无水乙醇

C．

蔗糖溶液

（4）一些铁制品表面覆盖了某些涂层。不同的涂层被破坏后，铁生锈的速率不同。你认为下列涂层破坏后，铁生锈的速率较快。

A．

镀锌铁

B．

镀锡铁

（5）一些建筑的大门刷上了一层银白色的金属，你认为该金属可能是。

A．

银粉

B．

铜粉

C．

镁粉

[交流与思考]
（6）写出一种防止铁生锈的方法。

金属材料在国防建设中起着量要的作用，图1为歼﹣15飞机在辽宁舰上起飞

（1）铝合金用于制造飞机的外壳，铝合金材质的主要优点是         、          。
（2）改装前的辽宁舰舰身锈迹斑斑，钢铁的锈蚀主要是铁与空气中的                 共同作用的结果，工业生产中常用稀盐酸除去铁制品表面的铁锈，该反应的化学方程式为                    。
（3）为了避免轮船的钢质外壳被腐蚀，通常在轮船外壳上镶嵌比铁活动性强金属。小明为探究锌、铁、铜三种金属的活动性顺序，设计了如图2的两个实验：
①实验一中，小明以“金属表面产生气泡的快慢”为标准来判断锌、铁的活动性强弱，有同学认为不够合理，理由是                      。
②实验二中，若出现                                   现象，可证明铁的活动性强于铜，该反应的化学方程式为                                                        。
（4）辽宁舰的建造耗费了大量的钢材．某兴趣小组在实验室用图3所示装置模拟炼铁的化学原理，并测定赤铁矿中氧化铁的质量分数（装置气密性良好，反应完全且赤铁矿中的杂质不参加反应，称量赤铁矿样品的质量为wg）。
①装置A中生成铁的化学方程式为                                 ，装置B中发生反应的化学方程式为                                                                              。
②要测定该赤铁矿样品中氧化铁的质量分数，需要测量的数据是                               。

2014年央视 “3．15”晚会上曝出某品牌金饰品掺假的事件，引起同学们的好奇。小明同学拿来一片黄色的金属，和小军同学一起进行了相关探究活动。
【猜  想】①小明认为是黄金 ②小军认为是铜锌合金
【设计实验】

实验编号	实验操作	实验现象
①	取一小片黄色金属放在石棉网上用酒精灯加热	黄色的金属变黑
②	取一小片黄色的金属放入稀硫酸中

【得出结论】
（1）由实验①可知，猜想                 （填序号）正确；写出反应的化学方程式
                                           。
（2）实验②中的现象是                                  ，写出反应的化学方程式
                                                   。
【反思应用】假设你的观点和小军相同，请你选用一种类别不同于稀硫酸的试剂，再设计一个实验：取一小片黄色的金属放入                      溶液中，实验中观察到的现象是                 。

某同学用相同的铁钉探究铁生锈与哪些因素有关，设计的实验如图。经过一周观察：试管A和C中的铁钉无明显变化，试管B中的铁钉明显锈蚀。
 
A         B        C        
（1）通过探究发现：铁生锈是铁与                  共同作用的结果。
（2）A中加入的蒸馏水要事先煮沸，其目的是                            ；
（3）通过探究，请你写出防止铁制品生锈的一种措施                                   。

钢铁产业是我国的支柱产业之一，选择优质炼铁原料十分重要。甲、乙两组同学对某钢铁厂所购进的赤铁矿粉中主要成分Fe₂O₃的含量进行测定。(假设每步反应均能完全进行，赤铁矿粉中杂质性质稳定，既不溶于水也不参与反应，浓硫酸可吸收水蒸气)

(1)甲组同学称取一定质量的赤铁矿粉，采用如图的装置进行实验。
①装置A中发生反应的化学方程式是                           。
②为充分吸收反应生成的CO₂，装置B中应盛放的试剂是       浓溶液。
③可以通过下面不同的方法计算赤铁矿粉中Fe₂O₃的含量：
【方法一】称量反应前后A装置的总质量，计算出Fe₂O₃的含量；
【方法二】称量               得出反应生成的CO₂的质量，计算出Fe₂O₃的含量。
(2)乙组同学称取等质量的赤铁矿粉放入烧杯中，向烧杯中加入过量的稀硫酸充分反应(氧化铁与稀硫酸反应生成硫酸铁和水)，       (填一个操作名称)后立即称量。根据称量的数据计算出Fe₂O₃的含量。
(3)甲、乙两组同学通过相互比较后对各自的实验方案进行评价。

方案	优 点
甲组
乙组

 

某Fe₃O₄样品中可能含有的杂质是Fe₂O₃和FeO其中的一种。为探究杂质的情况设计如下方案：
【实验设计】同学们称取了23.28 g该Fe₃O₄样品用图①进行了下列实验：

【实验分析】因探究思路不同，兴趣小组分成甲、乙、丙三个讨论小组。
甲组；（1）该组同学欲通过B装置反应前后的质量变化来计算确认该Fe₃O₄样品中的杂质。B中的最佳试剂是______（填序号）。
①澄清石灰水    ②氢氧化钠浓溶液   ③稀盐酸    ④水
（2）上述实验过程中，CO的作用有_______           （填序号）。
①CO气体作为反应物
②实验开始时，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸
③停止加热后，防止A中生成物被氧化
④停止加热后防止B中的溶液倒吸入A中
⑤对B中反应物起到一定的搅拌作用，便于CO₂与反应液充分接触而反应
乙组：
（3）乙组同学认为B装置反应前后的质量差会偏小而影响计算、分析，你认为他们的理由是_______                    ；改进为在B装置后接一盛有_______（填试剂名称）的广口瓶的吸水装置，将B装置和该装置“捆绑”称量，从而减小误差。
丙组：
（4）丙组同学将B装置中液体改换为Ba(OH)₂溶液，通过测量生成的_______（填化学式）沉淀的质量来计算求解。为了获得沉淀，该组同学需要进行的操作有过滤→_______→________→称量。
【查阅资料】
Fe₂O₃和CO反应是随温度升高而逐步进行的，先生成Fe₃O₄，再生成FeO(黑色)，最后生成Fe；利用仪器测定并绘制成反应过程中A装置中玻璃管内的固体质量随温度的变化曲线（见图②）。

（5）写出BC段发生反应的化学方程式：______________                    。
（6）确定该Fe₃O₄样品中含有的杂质是_______，其中含Fe₃O₄的质量是_______g（不需要写出过程）（已知Fe₃O₄、FeO、Fe₂O₃中铁元素的质量分数分别为72.4%、77.8%、70.0%)。

钢铁产业是我国的支柱产业之一，选择优质炼铁原料十分重要。甲、乙两组同学对某钢铁厂所购进的赤铁矿粉中主要成分Fe₂O₃的含量进行测定。(假设每步反应均能完全进行，赤铁矿粉中的杂质性质稳定，既不溶于水也不参与反应)

(1)甲组同学称取一定质量的赤铁矿粉，采用如图装置进行实验。
①装置A中发生反应的化学方程式是                              。
②为充分吸收反应生成的CO₂，装置B中应盛放的试剂是浓         溶液。
③可以通过下面不同的方法计算赤铁矿粉中Fe₂O₃的含量。
方法一：称量反应前后装置A的总质量，计算出Fe₂O₃的含量。
方法二：称量      ，得出反应生成的CO₂的质量，计算出Fe₂O₃的含量。
(2)乙组同学称取等质量的赤铁矿粉放入烧杯中，向烧杯中加入过量的稀硫酸充分反应，      (填一个操作名称)后立即称量。根据称量的数据计算出Fe₂O₃的含量。
(3)甲、乙两组同学通过相互比较后对各自的实验方案进行评价。

铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，把铁矿石和焦炭、石灰石一起加入高炉，在高温下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。一氧化碳还原氧化铁的化学方程式为                ①                   。某化学兴趣小组同学在学习炼铁的相关内容时，对炼铁时还原剂的选择进行了如下探究。
【提出问题】单质碳也具有还原性，碳还原氧化铁的化学方程式为          ②        。为什么工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石？
【猜想与假设】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应不易完全。
【进行实验】实验步骤及注意事项如下：
①称取两份相同质量的氧化铁粉末。一份与足量的碳粉均匀混合放入下图装置A的试管中；另一份放入下图装置B的玻璃管中。
②装置A和B两组实验同时开始进行。在装置B的反应中，实验开始前应先    ③     （选填“通CO”或“加热”）； 实验结束后应继续通入CO直至冷却至室温，其原因是     ④    。

【实验现象】当装置B的玻璃管中固体完全由       ⑤        时（选填“红色变为黑色”或“黑色变为红色”），装置A的试管中仍有        ⑥         。
【解释与结论】焦炭和铁矿石都是固体，接触面积小，反应确实不易完全，这可能是工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石的一个原因。
【交流与反思】经过查阅资料和讨论，该小组同学发现除了上述原因外，工业上不用焦炭作为还原剂直接还原铁矿石还有一些其它原因，试写出其中的一个：          ⑦       。
【完善实验】联想到单质碳的一些化学性质，甲同学认为在碳还原氧化铁的反应中可能还会有CO产生。为了证明碳还原氧化铁所得的气体中含有CO和CO₂，将该气体通过下图的检验装置，正确的连接顺序是         ⑧         （选填字母，装置可重复使用）。经过检验，证实碳还原氧化铁所得的气体中确实含有CO和CO₂，因此装置A的不足之处是   ⑨ 。

（1）现有①汽车②机器上的齿轮③门把手等常见铁制品。为了防止它们生锈，通常适合采用下面哪一种方法。（填序号）
在表面喷漆____；在表面涂油____在表面镀一层其他金属____；
（2）下表是某种常见金属的部分性质：

颜色、状态	硬度	密度	熔点	导电性	导热性	延展性
银白色固体	较软	2．70g/cm^3	660．4℃	良好	良好	良好

 
将该金属投入稀盐酸中，可产生大量的无色气体。回答以下问题：
①试推断该金属可能的一种用途____；
②该金属的活动性比铜_____(填“强”或“弱”)；
（3）某学生想探究铁生锈是否必须同时有空气和水，他将干净的铁钉放入A、B、C三支干净的试管中，再各加入某些物质或用品进行研究。
①在下图的每支试管中画出并标明所加的物质或用品。

②一周后，编号为____的试管中铁钉最易生锈。
③写出一氧化碳在高温条件下把铁从赤铁矿（主要成分是氧化铁）里还原出来的化学方程式：____。
④铝的活动性比铁强，但铝在空气中却表现出良好的抗腐蚀性，其原因是____。
⑤某炼铁日产含碳3%的生铁310t，问该厂每天至少需要含氧化铁80%的赤铁矿石____吨

下图是探究铁制品锈蚀的条件时做的五个实验(铁钉在不同环境中)，实验一段时间后，得出的结论错误的是(   )

A．甲、乙、戊中铁钉生锈快慢的顺序为乙＞甲＞戊

B．丙中的铁钉不生锈

C．铁生锈的主要条件是与空气、水直接接触

D．丁中铁钉生锈最严重

（6分)某化学实验小组用一块表面镀锌的铁样品进行实验探究活动。
【实验探究】将表面镀锌的铁进行如图A实验，加入稀盐酸与产生氢气的质量关系如图B。

【提出问题】反应后所得的无色滤液a的溶质与固体b的成分是什么？
【猜想假设】秦思认为无色滤液a的溶质是（1）         、氯化亚铁和氯化氢。
【反思评价】请你评价秦思的猜想（2）         。
【推理判断】由无色滤液a 的成分可推知，固体b中一定含有（3）       。
【实验与结论】为验证固体b的成分，单杰向b的样品中加入一种有色物质（4）       （填化学式）溶液，产生的现象是（5）              ，据此现象，证明出固体b中的两种成分，同时得出这两种金属的活动性顺序。
【表达交流】石建向固体b中继续滴加少量稀盐酸也确定出固体b的成分，他观察到的现象是
（6）                       。
【拓展延伸】通过比较锌、铁的活动性，结合图像B在开始加入稀盐酸的过程中并没有产生氢气的现象，你认为在铁的表面镀锌的原因是（7）         ，可阻止进一步氧化。