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13. (18分)铁矿和铜矿都有许多种类，矿业上将一种主要成分为$\ce{Cu_{2}S}$(含少量$\ce{Fe_{2}O_{3}}$、$\ce{SiO_{2}}$等杂质)的铜矿称为辉铜矿。一种用辉铜矿冶炼铜的主要工艺流程如图所示。
(1) 主要成分是$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的铁矿石常被称为________，是一种炼铁的原料。
(2) 在上述流程中，将辉铜矿“磨细”的目的是________。
(3) “高温脱硫”阶段，主要反应的化学方程式为$\ce{2Cu_{2}S + 3O_{2}\xlongequal{\mathrm{高温}}2Cu_{2}O + 2X}$，则$\mathrm{X}$的化学式为________。若直接将大量$\mathrm{X}$气体排放到空气中，则可能会形成________，腐蚀建筑雕像、破坏森林等。
(4) “金属还原”阶段，焦炭的作用是________和生成还原剂$\ce{CO}$，还原生成铜的化学方程式为________。
(5) “吹炼”的目的是将粗铜中所含的易被氧化的杂质________(填名称)氧化，使其易结合成炉渣。“吹炼”时也有少部分铜被氧化为氧化亚铜，但停止吹入富氧空气后它会与杂质反应重新变成铜。请完成铜的氧化物与杂质反应的化学方程式：$\_\_\_\_\_\_+\ce{Fe}+\ce{SiO_{2}}\xlongequal{\mathrm{高温}}2\ce{Cu}+\_\_\_\_\_\_$。
(1) 主要成分是$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的铁矿石常被称为________，是一种炼铁的原料。
(2) 在上述流程中，将辉铜矿“磨细”的目的是________。
(3) “高温脱硫”阶段，主要反应的化学方程式为$\ce{2Cu_{2}S + 3O_{2}\xlongequal{\mathrm{高温}}2Cu_{2}O + 2X}$，则$\mathrm{X}$的化学式为________。若直接将大量$\mathrm{X}$气体排放到空气中，则可能会形成________，腐蚀建筑雕像、破坏森林等。
(4) “金属还原”阶段，焦炭的作用是________和生成还原剂$\ce{CO}$，还原生成铜的化学方程式为________。
(5) “吹炼”的目的是将粗铜中所含的易被氧化的杂质________(填名称)氧化，使其易结合成炉渣。“吹炼”时也有少部分铜被氧化为氧化亚铜，但停止吹入富氧空气后它会与杂质反应重新变成铜。请完成铜的氧化物与杂质反应的化学方程式：$\_\_\_\_\_\_+\ce{Fe}+\ce{SiO_{2}}\xlongequal{\mathrm{高温}}2\ce{Cu}+\_\_\_\_\_\_$。
答案
13.（1）赤铁矿 （2）增大反应物之间的接触面积,加快反应速率 （3）SO₂ 酸雨 （4）产生热量 $\ce{Cu_{2}O + CO\xlongequal{\Delta} 2Cu + CO_{2}}$ （5）铁 Cu₂O FeSiO₃
〔解析〕（3）由质量守恒定律可知,化学反应前后原子的种类与数目不变,$\ce{2Cu_{2}S + 3O_{2}\xlongequal{高温}2Cu_{2}O + 2X}$中,反应前有4个铜原子、2个硫原子和6个氧原子,反应后的已知生成物中,有4个铜原子、2个氧原子,所以2X中含有2个硫原子和4个氧原子,则X的化学式为SO₂。若直接将大量二氧化硫排放到空气中,则可能会形成酸雨,腐蚀建筑雕像、破坏森林等。（4）焦炭在氧气充足时燃烧生成二氧化碳,放出大量的热;碳与二氧化碳在高温条件下反应生成还原剂CO。由(3)可知“高温脱硫”后生成的金属氧化物为Cu₂O,则在加热条件下,一氧化碳与氧化亚铜反应生成铜和二氧化碳。（5）“吹炼”的目的是将粗铜中所含的易被氧化的杂质铁氧化,使其易结合成炉渣。“吹炼”时也有少部分铜被氧化,生成氧化亚铜,但停止吹入富氧空气后它会与杂质反应重新变成铜,由质量守恒定律可知,生成物为Cu和FeSiO₃,则铜的氧化物与杂质反应的化学方程式为$\ce{Cu_{2}O + Fe + SiO_{2}\xlongequal{高温}2Cu + FeSiO_{3}}$。
〔解析〕（3）由质量守恒定律可知,化学反应前后原子的种类与数目不变,$\ce{2Cu_{2}S + 3O_{2}\xlongequal{高温}2Cu_{2}O + 2X}$中,反应前有4个铜原子、2个硫原子和6个氧原子,反应后的已知生成物中,有4个铜原子、2个氧原子,所以2X中含有2个硫原子和4个氧原子,则X的化学式为SO₂。若直接将大量二氧化硫排放到空气中,则可能会形成酸雨,腐蚀建筑雕像、破坏森林等。（4）焦炭在氧气充足时燃烧生成二氧化碳,放出大量的热;碳与二氧化碳在高温条件下反应生成还原剂CO。由(3)可知“高温脱硫”后生成的金属氧化物为Cu₂O,则在加热条件下,一氧化碳与氧化亚铜反应生成铜和二氧化碳。（5）“吹炼”的目的是将粗铜中所含的易被氧化的杂质铁氧化,使其易结合成炉渣。“吹炼”时也有少部分铜被氧化,生成氧化亚铜,但停止吹入富氧空气后它会与杂质反应重新变成铜,由质量守恒定律可知,生成物为Cu和FeSiO₃,则铜的氧化物与杂质反应的化学方程式为$\ce{Cu_{2}O + Fe + SiO_{2}\xlongequal{高温}2Cu + FeSiO_{3}}$。
解析
【分析】
这是一道金属冶炼相关的化工流程题，解题时顺着流程逻辑逐个分析小问即可：
1. 第一小问回忆常见铁矿石的分类，直接对应主要成分为$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的铁矿石名称；
2. 第二小问从固体粉碎的化工常规操作逻辑出发，从接触面积对反应的影响角度思考目的；
3. 第三小问利用质量守恒定律，对比反应前后原子的种类和数量推导X的化学式，再结合$\ce{SO_{2}}$的环境危害得出对应的环境问题；
4. 第四小问回忆冶金工业中焦炭的两个核心作用，结合前序流程得到的$\ce{Cu_{2}O}$，写出CO还原氧化亚铜的反应方程式；
5. 第五小问结合流程给出的炉渣成分$\ce{FeSiO_{3}}$，判断被氧化的杂质，再利用质量守恒定律配平未完成的化学方程式，补全缺失的反应物和生成物。
【解析】
(1) 工业上将主要成分为$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的铁矿石命名为赤铁矿，是炼铁的核心原料之一。
(2) 将块状辉铜矿磨细后，可大幅增大反应物之间的接触面积，既可以加快反应速率，也能让反应进行得更充分，提升生产效率。
(3) 根据质量守恒定律，化学反应前后原子的种类、数目均不变：反应前Cu、S、O的原子总数分别为4、2、6，反应后已知生成物中Cu、O的原子总数为4、2，因此2X中含有2个S原子和4个O原子，可得X的化学式为$\ce{SO_{2}}$。大量$\ce{SO_{2}}$排放到空气中会和水汽、氧气反应生成酸性物质，形成酸雨，腐蚀建筑雕像、破坏森林植被。
(4) 焦炭在金属还原阶段，首先和氧气燃烧放出大量热，为整个反应体系提供所需的高温环境，同时焦炭还会和反应生成的$\ce{CO_{2}}$反应生成还原剂CO；CO还原前序阶段生成的$\ce{Cu_{2}O}$得到铜和二氧化碳，反应的化学方程式为$\ce{Cu_{2}O + CO\xlongequal{\Delta} 2Cu + CO_{2}}$。
(5) 粗铜中的杂质为Fe和$\ce{SiO_{2}}$，吹炼时富氧空气优先将易被氧化的杂质铁氧化，后续和$\ce{SiO_{2}}$结合生成炉渣$\ce{FeSiO_{3}}$。根据质量守恒定律对比反应前后原子种类数目：右侧有2个Cu、1个Fe、1个Si、3个O，左侧现有1个Fe、1个Si、2个O，因此左侧缺少2个Cu和1个O，对应反应物为$\ce{Cu_{2}O}$，右侧缺少1个Fe、1个Si、3个O，对应生成物为$\ce{FeSiO_{3}}$。
【答案】
(1) 赤铁矿
(2) 增大反应物之间的接触面积,加快反应速率
(3) $\ce{SO_{2}}$；酸雨
(4) 产生热量；$\ce{Cu_{2}O + CO\xlongequal{\Delta} 2Cu + CO_{2}}$
(5) 铁；$\ce{Cu_{2}O}$；$\ce{FeSiO_{3}}$
【知识点】
常见铁矿石、质量守恒定律、金属冶炼
【点评】
本题以辉铜矿冶炼铜的实际工业流程为载体，考察金属冶炼相关的基础化学知识，结合质量守恒定律进行化学式推导和方程式配平，整体联系生产实际，侧重对基础知识点的考察，能有效巩固学生对元素化合物相关内容的掌握。
【难度系数】
0.7
这是一道金属冶炼相关的化工流程题，解题时顺着流程逻辑逐个分析小问即可：
1. 第一小问回忆常见铁矿石的分类，直接对应主要成分为$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的铁矿石名称；
2. 第二小问从固体粉碎的化工常规操作逻辑出发，从接触面积对反应的影响角度思考目的；
3. 第三小问利用质量守恒定律，对比反应前后原子的种类和数量推导X的化学式，再结合$\ce{SO_{2}}$的环境危害得出对应的环境问题；
4. 第四小问回忆冶金工业中焦炭的两个核心作用，结合前序流程得到的$\ce{Cu_{2}O}$，写出CO还原氧化亚铜的反应方程式；
5. 第五小问结合流程给出的炉渣成分$\ce{FeSiO_{3}}$，判断被氧化的杂质，再利用质量守恒定律配平未完成的化学方程式，补全缺失的反应物和生成物。
【解析】
(1) 工业上将主要成分为$\ce{Fe_{2}O_{3}}$的铁矿石命名为赤铁矿，是炼铁的核心原料之一。
(2) 将块状辉铜矿磨细后，可大幅增大反应物之间的接触面积，既可以加快反应速率，也能让反应进行得更充分，提升生产效率。
(3) 根据质量守恒定律，化学反应前后原子的种类、数目均不变：反应前Cu、S、O的原子总数分别为4、2、6，反应后已知生成物中Cu、O的原子总数为4、2，因此2X中含有2个S原子和4个O原子，可得X的化学式为$\ce{SO_{2}}$。大量$\ce{SO_{2}}$排放到空气中会和水汽、氧气反应生成酸性物质，形成酸雨，腐蚀建筑雕像、破坏森林植被。
(4) 焦炭在金属还原阶段，首先和氧气燃烧放出大量热，为整个反应体系提供所需的高温环境，同时焦炭还会和反应生成的$\ce{CO_{2}}$反应生成还原剂CO；CO还原前序阶段生成的$\ce{Cu_{2}O}$得到铜和二氧化碳，反应的化学方程式为$\ce{Cu_{2}O + CO\xlongequal{\Delta} 2Cu + CO_{2}}$。
(5) 粗铜中的杂质为Fe和$\ce{SiO_{2}}$，吹炼时富氧空气优先将易被氧化的杂质铁氧化，后续和$\ce{SiO_{2}}$结合生成炉渣$\ce{FeSiO_{3}}$。根据质量守恒定律对比反应前后原子种类数目：右侧有2个Cu、1个Fe、1个Si、3个O，左侧现有1个Fe、1个Si、2个O，因此左侧缺少2个Cu和1个O，对应反应物为$\ce{Cu_{2}O}$，右侧缺少1个Fe、1个Si、3个O，对应生成物为$\ce{FeSiO_{3}}$。
【答案】
(1) 赤铁矿
(2) 增大反应物之间的接触面积,加快反应速率
(3) $\ce{SO_{2}}$；酸雨
(4) 产生热量；$\ce{Cu_{2}O + CO\xlongequal{\Delta} 2Cu + CO_{2}}$
(5) 铁；$\ce{Cu_{2}O}$；$\ce{FeSiO_{3}}$
【知识点】
常见铁矿石、质量守恒定律、金属冶炼
【点评】
本题以辉铜矿冶炼铜的实际工业流程为载体，考察金属冶炼相关的基础化学知识，结合质量守恒定律进行化学式推导和方程式配平，整体联系生产实际，侧重对基础知识点的考察，能有效巩固学生对元素化合物相关内容的掌握。
【难度系数】
0.7
14. (20分)某学习小组对铁锈蚀进行探究。
【提出问题】铁锈蚀与哪些因素有关？
【查阅资料】① 氯化钙固体可作干燥剂。② 一定条件下，碳可加快铁的锈蚀，但碳本身不参加反应。③ 常温常压下，氢气的密度是$d\ \mathrm{g/mL}$。
【设计与实验】
实验一:定性探究铁锈蚀的因素。取四枚相同的洁净无锈铁钉分别放入试管，进行如图①所示实验，现象如表所示。
(1) 对比A、B、C试管中实验现象，说明铁锈蚀主要是与空气中的
(2) 对比A、D试管中实验现象，说明铁锈蚀还与
(3) 实验室中可以用稀盐酸除去铁锈，同时生成氯化铁和水，写出反应的化学方程式：
实验二:定量探究铁锈蚀的因素。小组设计了如图②所示装置，检查气密性，将5 g铁粉和2 g碳粉加入三颈烧瓶，$t_1\ \mathrm{s}$加入2 mL饱和NaCl溶液后，再将一只装有5 mL稀盐酸的注射器插到三颈烧瓶上，采集数据。
(4) 如图③所示，$t_2\ \mathrm{s}$后反应并未停止，温度却开始降低，原因是
(5) 如图④所示，对比ab段和bc段说明
实验三:测定铁锈含量。将实验二中三颈烧瓶内剩余物质过滤、洗涤、干燥，得$m\ \mathrm{g}$固体，连接如图⑤所示装置，检查气密性，加入固体与足量稀盐酸进行实验。
(6) 完全反应后，常温常压下测得生成气体的体积为$V\ \mathrm{mL}$，则该固体中铁锈的质量分数的表达式为
(7) 该实验条件下测得铁锈的质量分数偏小的原因是
【反思与评价】
(8) 与实验一对比，实验二中铁锈蚀明显更快的原因是
【提出问题】铁锈蚀与哪些因素有关？
【查阅资料】① 氯化钙固体可作干燥剂。② 一定条件下，碳可加快铁的锈蚀，但碳本身不参加反应。③ 常温常压下，氢气的密度是$d\ \mathrm{g/mL}$。
【设计与实验】
实验一:定性探究铁锈蚀的因素。取四枚相同的洁净无锈铁钉分别放入试管，进行如图①所示实验，现象如表所示。
(1) 对比A、B、C试管中实验现象，说明铁锈蚀主要是与空气中的
氧气和水蒸气
发生化学反应。(2) 对比A、D试管中实验现象，说明铁锈蚀还与
氯化钠
有关。(3) 实验室中可以用稀盐酸除去铁锈，同时生成氯化铁和水，写出反应的化学方程式：
$\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$
。实验二:定量探究铁锈蚀的因素。小组设计了如图②所示装置，检查气密性，将5 g铁粉和2 g碳粉加入三颈烧瓶，$t_1\ \mathrm{s}$加入2 mL饱和NaCl溶液后，再将一只装有5 mL稀盐酸的注射器插到三颈烧瓶上，采集数据。
(4) 如图③所示，$t_2\ \mathrm{s}$后反应并未停止，温度却开始降低，原因是
铁生锈放出的热量小于装置散失的热量
。(5) 如图④所示，对比ab段和bc段说明
加氯化钠溶液前,铁锈蚀较慢
，分析$t_3\ \mathrm{s}$后压强突然变大的原因是铁锈蚀消耗氧气,装置内压强减小,注射器内盐酸被吸入烧瓶中,反应产生较多氢气
。实验三:测定铁锈含量。将实验二中三颈烧瓶内剩余物质过滤、洗涤、干燥，得$m\ \mathrm{g}$固体，连接如图⑤所示装置，检查气密性，加入固体与足量稀盐酸进行实验。
(6) 完全反应后，常温常压下测得生成气体的体积为$V\ \mathrm{mL}$，则该固体中铁锈的质量分数的表达式为
$\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$
。(7) 该实验条件下测得铁锈的质量分数偏小的原因是
氢气未干燥,含有水蒸气
，解决方法是在乙、丙装置间加一个干燥装置
。【反思与评价】
(8) 与实验一对比，实验二中铁锈蚀明显更快的原因是
使用铁粉,增大了与空气的接触面积;加入了碳粉,加快了铁锈蚀的速率
。答案
14.（1）氧气和水蒸气 （2）氯化钠 （3）$\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$ （4）铁生锈放出的热量小于装置散失的热量 （5）加氯化钠溶液前,铁锈蚀较慢 铁锈蚀消耗氧气,装置内压强减小,注射器内盐酸被吸入烧瓶中,反应产生较多氢气 （6）$\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$ （7）氢气未干燥,含有水蒸气 在乙、丙装置间加一个干燥装置 （8）使用铁粉,增大了与空气的接触面积;加入了碳粉,加快了铁锈蚀的速率
〔解析〕本题考查铁生锈的探究、物质含量的测定。（1）A中铁钉与氧气、水同时接触而生锈,B中铁钉只与水接触不生锈,C中铁钉只与氧气接触不生锈,对比A、B、C试管中实验现象,说明铁锈蚀主要是与空气中的氧气、水发生化学反应。（2）A、D试管中的变量是氯化钠,加入氯化钠,铁钉锈蚀速率加快,说明铁锈蚀还与氯化钠有关。（3）铁锈的主要成分是氧化铁,常用稀盐酸除锈,反应的化学方程式为$\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$。（4）从图③中$t_1$~$t_2$ s的变化可知,铁生锈放热,但随着反应物的减少,反应变慢,铁生锈放出的热量小于装置散失的热量,故$t_2$ s后反应并未停止,温度却开始降低。（5）图④中,ab段装置内压强无明显变化,说明无氯化钠时铁生锈速率缓慢,bc段装置内压强明显减小,则说明加入氯化钠后铁生锈速率加快,对比ab段和bc段说明加氯化钠溶液前,铁锈蚀较慢。铁锈蚀消耗氧气,装置内压强减小,注射器内盐酸被吸入三颈烧瓶中,铁和盐酸反应产生较多氢气,导致$t_3$ s后压强突然增大。（6）铁与盐酸反应生成的氢气的质量为$V\ \mathrm{mL}× d\ \mathrm{g/mL}=Vd\ \mathrm{g}$,根据氢气的质量可以计算出铁的质量。设铁的质量为x。
$\ce{Fe + 2HCl = FeCl_{2} + H_{2}↑}$
56 2
x Vd g
$\dfrac{56}{2}=\dfrac{x}{Vd\ \mathrm{g}}$ $x=28Vd\ \mathrm{g}$
铁生锈过程中,碳粉质量不变,还是2 g,则该固体中铁锈的质量分数为$\dfrac{m\ \mathrm{g}-2\ \mathrm{g}-28Vd\ \mathrm{g}}{m\ \mathrm{g}}×100\%=\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$。（7）氢气通过蒸馏水,含有水蒸气,从而造成测定的氢气体积偏大,利用氢气的质量计算出的铁的质量偏大,则铁锈的质量偏小、铁锈的质量分数偏小;解决方法是在乙、丙装置之间加一个干燥装置。（8）与实验一相比,实验二中使用铁粉,增大了与空气的接触面积;使用的碳粉在一定条件可加快铁的锈蚀,从而加快了铁锈蚀的速率。
〔解析〕本题考查铁生锈的探究、物质含量的测定。（1）A中铁钉与氧气、水同时接触而生锈,B中铁钉只与水接触不生锈,C中铁钉只与氧气接触不生锈,对比A、B、C试管中实验现象,说明铁锈蚀主要是与空气中的氧气、水发生化学反应。（2）A、D试管中的变量是氯化钠,加入氯化钠,铁钉锈蚀速率加快,说明铁锈蚀还与氯化钠有关。（3）铁锈的主要成分是氧化铁,常用稀盐酸除锈,反应的化学方程式为$\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$。（4）从图③中$t_1$~$t_2$ s的变化可知,铁生锈放热,但随着反应物的减少,反应变慢,铁生锈放出的热量小于装置散失的热量,故$t_2$ s后反应并未停止,温度却开始降低。（5）图④中,ab段装置内压强无明显变化,说明无氯化钠时铁生锈速率缓慢,bc段装置内压强明显减小,则说明加入氯化钠后铁生锈速率加快,对比ab段和bc段说明加氯化钠溶液前,铁锈蚀较慢。铁锈蚀消耗氧气,装置内压强减小,注射器内盐酸被吸入三颈烧瓶中,铁和盐酸反应产生较多氢气,导致$t_3$ s后压强突然增大。（6）铁与盐酸反应生成的氢气的质量为$V\ \mathrm{mL}× d\ \mathrm{g/mL}=Vd\ \mathrm{g}$,根据氢气的质量可以计算出铁的质量。设铁的质量为x。
$\ce{Fe + 2HCl = FeCl_{2} + H_{2}↑}$
56 2
x Vd g
$\dfrac{56}{2}=\dfrac{x}{Vd\ \mathrm{g}}$ $x=28Vd\ \mathrm{g}$
铁生锈过程中,碳粉质量不变,还是2 g,则该固体中铁锈的质量分数为$\dfrac{m\ \mathrm{g}-2\ \mathrm{g}-28Vd\ \mathrm{g}}{m\ \mathrm{g}}×100\%=\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$。（7）氢气通过蒸馏水,含有水蒸气,从而造成测定的氢气体积偏大,利用氢气的质量计算出的铁的质量偏大,则铁锈的质量偏小、铁锈的质量分数偏小;解决方法是在乙、丙装置之间加一个干燥装置。（8）与实验一相比,实验二中使用铁粉,增大了与空气的接触面积;使用的碳粉在一定条件可加快铁的锈蚀,从而加快了铁锈蚀的速率。
解析
【分析】
这是一道铁锈蚀的综合探究题，解题时可以按照从定性到定量的逻辑逐步推导：
1. 前3小问先通过控制变量法对比各组实验：A、B、C三组的变量分别是水、氧气，通过生锈与否的对照就能得出铁锈蚀的反应物；A、D两组唯一变量是氯化钠，通过锈蚀速率差异就能得到额外影响因素，再结合铁锈和盐酸的反应规则写出配平的化学方程式。
2. 第4问结合铁锈蚀放热的性质，温度变化是放热和散热共同作用的结果，反应未停但温度下降，说明放热总量小于散失的热量。
3. 第5问结合压强变化图像，ab段是加入氯化钠前的阶段，压强几乎不变说明锈蚀慢，bc段压强快速下降是加入氯化钠后锈蚀消耗氧气；t3后压强骤升是因为瓶内因耗氧压强远小于外界，注射器里的稀盐酸被压入烧瓶，和未反应的铁反应生成大量氢气。
4. 第6问计算铁锈质量分数时，先明确剩余固体里碳粉质量始终为2g不参与反应，铁和稀盐酸反应生成氢气，通过氢气密度算出氢气质量，结合方程式算出参与反应的铁的质量，总固体质量减去碳和剩余铁的质量就是铁锈的质量，进而推导质量分数表达式。
5. 第7问误差分析，若氢气混有水蒸气，测得的气体体积偏大，算出的铁质量偏大，对应铁锈质量偏小，分数偏小，只需要在收集气体前加干燥装置除去水蒸气即可。
6. 第8问对比实验一和实验二的反应物状态和成分，铁粉比铁钉接触面积大，还有资料里提到的碳粉可以加快铁锈蚀，就能得出速率更快的原因。
【解析】
(1) A试管中铁钉同时接触氧气和水蒸气发生锈蚀，B试管中铁钉只接触水、几乎无氧气，不生锈，C试管中铁钉只接触干燥氧气、无水，不生锈，对比可知铁锈蚀主要和空气中的氧气、水蒸气发生化学反应。
(2) A、D试管其他条件完全一致，唯一变量是D中加入了氯化钠，D中铁钉锈蚀速率更快，说明铁锈蚀还与氯化钠有关。
(3) 铁锈主要成分为氧化铁，和稀盐酸反应生成氯化铁和水，配平后化学方程式为$\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$。
(4) 铁锈蚀属于放热反应，$t_2\ \mathrm{s}$后铁锈蚀的反应仍在进行，但铁锈蚀放出的总热量小于装置向外界散失的热量，因此温度开始降低。
(5) ab段还未加入饱和氯化钠溶液，装置压强几乎无变化，说明此时铁锈蚀速率很慢；bc段加入氯化钠后压强快速下降，说明锈蚀速率加快，对比可知加氯化钠溶液前，铁锈蚀较慢。$t_3\ \mathrm{s}$前铁锈蚀持续消耗装置内氧气，三颈烧瓶内压强远小于外界大气压，注射器内的稀盐酸被大气压压入烧瓶中，未完全反应的铁粉和稀盐酸反应生成大量氢气，因此装置压强突然变大。
(6) 生成氢气的质量为$d\ \mathrm{g/mL} × V\ \mathrm{mL}=Vd\ \mathrm{g}$，设参与反应的铁的质量为$x$：
$\ce{Fe + 2HCl = FeCl_{2} + H_{2}\uparrow}$
$56\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 2$
$x\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Vd\ \mathrm{g}$
$\dfrac{56}{2}=\dfrac{x}{Vd\ \mathrm{g}} \implies x=28Vd\ \mathrm{g}$
已知碳粉不参与任何反应，剩余固体中碳粉质量为2g，因此铁锈的质量为$m\ \mathrm{g} - 2\ \mathrm{g} - 28Vd\ \mathrm{g}$，铁锈的质量分数为$\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$。
(7) 实验中生成的氢气会携带水蒸气，导致测得的氢气体积偏大，计算得到的铁的质量偏大，最终测得的铁锈质量偏小，因此铁锈质量分数偏小；只需要在乙、丙装置间增加一个气体干燥装置，除去氢气中混有的水蒸气即可消除误差。
(8) 实验二中使用的是铁粉，相比实验一的铁钉，铁和空气的接触面积大幅增大，同时加入的碳粉可以加快铁的锈蚀，因此铁锈蚀的速率明显更快。
【答案】
(1) 氧气和水蒸气
(2) 氯化钠
(3) $\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$
(4) 铁生锈放出的热量小于装置散失的热量
(5) 加氯化钠溶液前,铁锈蚀较慢；铁锈蚀消耗氧气,装置内压强减小,注射器内盐酸被吸入烧瓶中,反应产生较多氢气
(6) $\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$
(7) 氢气未干燥,含有水蒸气；在乙、丙装置间加一个干燥装置
(8) 使用铁粉,增大了与空气的接触面积;加入了碳粉,加快了铁锈蚀的速率
【知识点】
铁锈蚀的条件；化学方程式计算；定量实验误差分析
【点评】
本题是铁锈蚀主题的综合探究题，融合了定性对照实验、图像分析、定量计算、误差分析多个考点，既考察了基础的铁锈蚀相关知识点，也要求学生能结合实验逻辑推导图像变化原因、完成质量分数计算，对学生的综合实验能力有一定要求，其中定量计算和误差分析部分是易错点。
【难度系数】
0.4
这是一道铁锈蚀的综合探究题，解题时可以按照从定性到定量的逻辑逐步推导：
1. 前3小问先通过控制变量法对比各组实验：A、B、C三组的变量分别是水、氧气，通过生锈与否的对照就能得出铁锈蚀的反应物；A、D两组唯一变量是氯化钠，通过锈蚀速率差异就能得到额外影响因素，再结合铁锈和盐酸的反应规则写出配平的化学方程式。
2. 第4问结合铁锈蚀放热的性质，温度变化是放热和散热共同作用的结果，反应未停但温度下降，说明放热总量小于散失的热量。
3. 第5问结合压强变化图像，ab段是加入氯化钠前的阶段，压强几乎不变说明锈蚀慢，bc段压强快速下降是加入氯化钠后锈蚀消耗氧气；t3后压强骤升是因为瓶内因耗氧压强远小于外界，注射器里的稀盐酸被压入烧瓶，和未反应的铁反应生成大量氢气。
4. 第6问计算铁锈质量分数时，先明确剩余固体里碳粉质量始终为2g不参与反应，铁和稀盐酸反应生成氢气，通过氢气密度算出氢气质量，结合方程式算出参与反应的铁的质量，总固体质量减去碳和剩余铁的质量就是铁锈的质量，进而推导质量分数表达式。
5. 第7问误差分析，若氢气混有水蒸气，测得的气体体积偏大，算出的铁质量偏大，对应铁锈质量偏小，分数偏小，只需要在收集气体前加干燥装置除去水蒸气即可。
6. 第8问对比实验一和实验二的反应物状态和成分，铁粉比铁钉接触面积大，还有资料里提到的碳粉可以加快铁锈蚀，就能得出速率更快的原因。
【解析】
(1) A试管中铁钉同时接触氧气和水蒸气发生锈蚀，B试管中铁钉只接触水、几乎无氧气，不生锈，C试管中铁钉只接触干燥氧气、无水，不生锈，对比可知铁锈蚀主要和空气中的氧气、水蒸气发生化学反应。
(2) A、D试管其他条件完全一致，唯一变量是D中加入了氯化钠，D中铁钉锈蚀速率更快，说明铁锈蚀还与氯化钠有关。
(3) 铁锈主要成分为氧化铁，和稀盐酸反应生成氯化铁和水，配平后化学方程式为$\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$。
(4) 铁锈蚀属于放热反应，$t_2\ \mathrm{s}$后铁锈蚀的反应仍在进行，但铁锈蚀放出的总热量小于装置向外界散失的热量，因此温度开始降低。
(5) ab段还未加入饱和氯化钠溶液，装置压强几乎无变化，说明此时铁锈蚀速率很慢；bc段加入氯化钠后压强快速下降，说明锈蚀速率加快，对比可知加氯化钠溶液前，铁锈蚀较慢。$t_3\ \mathrm{s}$前铁锈蚀持续消耗装置内氧气，三颈烧瓶内压强远小于外界大气压，注射器内的稀盐酸被大气压压入烧瓶中，未完全反应的铁粉和稀盐酸反应生成大量氢气，因此装置压强突然变大。
(6) 生成氢气的质量为$d\ \mathrm{g/mL} × V\ \mathrm{mL}=Vd\ \mathrm{g}$，设参与反应的铁的质量为$x$：
$\ce{Fe + 2HCl = FeCl_{2} + H_{2}\uparrow}$
$56\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ 2$
$x\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Vd\ \mathrm{g}$
$\dfrac{56}{2}=\dfrac{x}{Vd\ \mathrm{g}} \implies x=28Vd\ \mathrm{g}$
已知碳粉不参与任何反应，剩余固体中碳粉质量为2g，因此铁锈的质量为$m\ \mathrm{g} - 2\ \mathrm{g} - 28Vd\ \mathrm{g}$，铁锈的质量分数为$\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$。
(7) 实验中生成的氢气会携带水蒸气，导致测得的氢气体积偏大，计算得到的铁的质量偏大，最终测得的铁锈质量偏小，因此铁锈质量分数偏小；只需要在乙、丙装置间增加一个气体干燥装置，除去氢气中混有的水蒸气即可消除误差。
(8) 实验二中使用的是铁粉，相比实验一的铁钉，铁和空气的接触面积大幅增大，同时加入的碳粉可以加快铁的锈蚀，因此铁锈蚀的速率明显更快。
【答案】
(1) 氧气和水蒸气
(2) 氯化钠
(3) $\ce{Fe_{2}O_{3} + 6HCl = 2FeCl_{3} + 3H_{2}O}$
(4) 铁生锈放出的热量小于装置散失的热量
(5) 加氯化钠溶液前,铁锈蚀较慢；铁锈蚀消耗氧气,装置内压强减小,注射器内盐酸被吸入烧瓶中,反应产生较多氢气
(6) $\dfrac{m-2-28Vd}{m}×100\%$
(7) 氢气未干燥,含有水蒸气；在乙、丙装置间加一个干燥装置
(8) 使用铁粉,增大了与空气的接触面积;加入了碳粉,加快了铁锈蚀的速率
【知识点】
铁锈蚀的条件；化学方程式计算；定量实验误差分析
【点评】
本题是铁锈蚀主题的综合探究题，融合了定性对照实验、图像分析、定量计算、误差分析多个考点，既考察了基础的铁锈蚀相关知识点，也要求学生能结合实验逻辑推导图像变化原因、完成质量分数计算，对学生的综合实验能力有一定要求，其中定量计算和误差分析部分是易错点。
【难度系数】
0.4
