铁与水蒸气反应
铁与水蒸气反应的实验探究某同学利用下图所示的实验装置进行铁与水蒸气反应的实验探究。通过对实验现象和实验数据的定性分析与定量计算，确定反应后硬质管中固体物质的成分及各组分的量。?如图所示实验装置，在硬质玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热，并通入水蒸气，就可以完成高温下“Fe与水蒸气反应的实验”(石棉绒是耐高温材料，不与水反应)。反应一段时间后，当有肥皂泡吹起时，用点燃的火柴靠近，会有肥皂泡爆破，并有爆鸣声，说明“铁与水蒸气”能够进行反应。依据实验和基础知识的学习，铁与水蒸气反应的化学方程式为3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2。（1）该同学欲确定反应一段时间后硬质试管中固体物质的成分，设计了如下验证方案：①待硬质试管冷却后，取少许其中的固体物质溶于稀硫酸得溶液B②取少量溶液B于试管中，滴加KSCN溶液，若溶液变红色则说明硬质试管中固体物质的成分是(只有一个选项符合题意)???A?????，若溶液未变红色则说明硬质试管中固体物质的成分是(只有一个选项符合题意)???B?????。A.?一定有Fe3O4，可能有Fe???????????B.一定有Fe3O4和Fe???????C.只有Fe3O4?解析：将少许固体物质溶解在稀硫酸溶液中，滴加KSCN溶液，若溶液变红，说明溶液中一定存在Fe3+，若溶液未变红色则说明溶液中没有Fe3+。Fe3O4?与稀硫酸反应，其产物既有Fe3+也有Fe2+，倘若存有Fe，Fe3+会与Fe发生氧化还原反应：Fe+2Fe3+=3Fe2+。如果Fe不能把溶液中所有的Fe3+还原为Fe2+，溶液中剩余的Fe3+遇到SCN—发生络合反应生成Fe（SCN）3络合物，使得溶液呈现红色；如果Fe能把溶液中所有的Fe3+还原为Fe2+，溶液中不再存在Fe3+，即使滴加KSCN溶液，溶液也不会变红色。故选择A ?B（2）为了进一步验证反应后硬质管中固体物质的组成提出如下假设：假设1：只有Fe；假设2：只有??????????????????????????（填写化学式）；假设3：既有Fe?也有Fe3O4。为了进一步验证反应后硬质管中固体物质的组分，该同学进行了定量研究。称量反应前后固体物质的质量，反应前固体物质的质量为5.6g，反应后固体物质的质量为6.6g，依据实验数据分析、计算反应后硬质管中固体物质的组成及质量分别为??????????????????????????；????????????????????????（填写化学式和对应物质的质量）。解析：这类题型命题者均以三种假设出现，给定两种假设，让作答者填写。然而，接下来的定量分析和计算确让很多师生茫然以对，现就这类型题型用以下三种方法进行阐释和讲解，希望能得到您的借鉴和学习。方法一：铁与水蒸气在高温下的产物为Fe3O4，增加的是氧原子的质量。由反应前的5.6gFe粉，经过高温反应得到产物的质量为6.6g，得知氧原子的质量为5.6-6.6=1.0g。依据Fe3O4的化学式，得知n(Fe):n(O)=3:4，氧原子的物质的量为1/16mol，故n(Fe)=3/64mol，对应消耗掉Fe的质量为3×56/64=2.625g，Fe原子剩余，过量的质量为5.6-2.625=2.975g，从而得知5.6gFe粉与水蒸气反应的产物为Fe3O4的质量为2.625+1.0=3.625g，Fe剩余2.975g。方法二：铁与水蒸气在高温下的产物为Fe3O4。若5.6gFe（0.1mol）完全反应，则生成Fe3O4的质量为0.1×232×1/3=7.733g，而反应后固体物质的质量为6.6g，故Fe剩余，反应后的固体物质为Fe和Fe3O4的混合物。设Fe为x mol，则Fe3O4的(0.1-x)/3mol，56x+232×(0.1-x)/3=6.6，x=0.053125mol,故6.6g固体物质的成分为：生成Fe3O4的质量为232×(0.1-x)/3=232×(0.1-0.053125)/3=3.625g，剩余Fe的质量为56x=56×0.053125=2.975g。方法三：铁与水蒸气在高温下的产物为Fe3O4。5.6gFe的物质的量为0.1mol，6.6-5.6=1.0g即为增加的氧原子的物质的质量，则O原子的物质的量为1.0/16mol。铁、氧原子的物质的量之比就是原子个数之比N(Fe):N(O)=0.1:(1/16)=8:5，即其混合物的化学式为Fe8O5。根据铁原子守恒，n(Fe8O5)=0.1/8mol，O原子的物质的量即为n(O)=0.1×5/8mol，再由O原子守恒，n(Fe3O4)=1/40.1×5/8=0.015625mol，生成的Fe3O4的质量为0.015625×232=3.625g。再根据n(Fe)总=0.1mol，Fe原子守恒，所以剩余Fe的物质的量为0.1-0.015625×3=0.053125mol，其质量为0.053125×56=2.975g。实验分析和假设例证类型题是高考中的重难热点。运用一题多解，不仅能够让学生熟练掌握基础知识，而且还能拓宽学生的思维和解题方法，增强答题技巧与思考能力，在学会的基础上加深理解记忆，最终达到灵活运用。特别是实验综合题目的探究性问题，在推断出其成分的前提下进一步确定各个组分的具体数值和比例会让问题更加清晰透彻，更有助于培养学生的深度思考习惯，形成良好的思考力和学习力。在知识积累、能力提升和素质养成的过程中，逐步培植正确的核心价值观。
