Question

20．鐵是目前人類使用量最大的金屬，它能形成多種化合物．
（1）取5.6g的生鐵與足量的稀硫酸混合反應，無論怎樣進行實驗，最終收集了的氣體體積均小于2.24L（標準狀況），最主要的原因是生鐵中含有碳等雜質，所得溶液在長時間放置過程中會慢慢出現淺黃色，試用離子方程式解釋這一變化的原因4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．
（2）硫化亞鐵常用于工業(yè)廢水的處理．已知：25℃時，溶度積常數K_sp（FeS）=6.3×10^-18、K_sp（CdS）=3.6×10^-29．請寫出用硫化亞鐵處理含Cd²⁺的工業(yè)廢水的離子方程式Cd²⁺（aq）+FeS（s）=Fe²⁺（aq）+CdS（s）．
（3）ZnFe₂O_3.5是一種新型納米材料，可將工業(yè)廢氣中的某些元素轉化為游離態(tài)，制取納米ZnFe₂O_3.5和用于除去廢氣的轉化關系為：ZnFe₂O₄$?_{CO_{2}、NO_{2}、SO_{2}/常溫}^{H_{2}/高溫}$ZnFe₂O_3.5上述轉化反應中消耗的n（ZnFe₂O₄）：n（H₂）=2：1．請寫出 ZnFe₂O_3.5與NO₂反應的化學方程式2NO₂+8ZnFe₂O_3.5=N₂+8ZnFe₂O₄．
（4）LiFePO₄（難溶于水）材料被視為最有前途的鋰離子電池材料之一．
①以 FePO₄（難溶于水）、Li₂CO₃、單質碳為原料在高溫下制備LiFePO₄，該反應的化學方程式為2FePO₄+Li₂CO₃+2C=2LiFePO₄+3CO↑．則1molC參與反應時轉移的電子數為2N_A（或2×6.02×10²³）．
②磷酸鐵鋰動力電池有幾種類型，其中一種（中間是鋰離子聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開）工作原理為FePO₄+Li$?_{放電}^{充電}$LiFePO₄．則充電時陽極上的電極反應式為LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．
（5）已知25℃時，K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，此溫度下若在實驗室中配制5mol/L 100mL FeCl₃溶液，為使配制過程中不出現渾濁現象，則至少需要加入2.5ml、2mol/L的鹽酸（忽略加入鹽酸體積）．

Answer 1

分析 （1）生鐵中含有碳元素等物質，故5.6g鐵物質的量少于0.1mol，與HCl反應生成的氣體偏少．變黃色說明Fe²⁺被氧氣氧化為Fe³⁺．
（2）依據溶度積常數分析判斷CdS更難溶，可以實現沉淀轉化．
（3）依得失電子守恒原理可求出反應中n（ZnFe₂O₄）：n（H₂，根據元素守恒和電子守恒分析寫出離子方程式．
（4）①反應過程中鐵元素由+3價降低到+2價，Li₂CO₃中的碳元素由+4價降低到+2價，碳單質中化由0價升為+2價；
②充電時陽極上LiFePO₄^-失電子發(fā)生氧化反應．
（5）若不出現渾濁現象，則c（Fe³⁺）×C³（OH^-）≤K_sp[Fe（OH）₃]，代入有關數據后可求出c（OH^-）≤2×10^-13mol/L，c（H⁺）≥0.05mol/L，故至少要加入2.5ml相應的鹽酸．

解答 解：（1）生鐵中含有碳元素等物質，故5.6g鐵物質的量少于0.1mol，生成的氫氣的體積少于2.24L（標準狀況）；變黃色說明有Fe³⁺生成，是由Fe²⁺被氧氣氧化所導致的，其反應的離子方程式為：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O；
故答案為：生鐵中含有碳等雜質；4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．
（2）溶度積常數Ksp（FeS）=6.3×10^-18、Ksp（CdS）=3.6×10^-29，溶度積常數分析判斷CdS更難溶，可以實現沉淀轉化，Cd²⁺（aq）+FeS（s）=Fe²⁺（aq）+CdS（s），所以能用硫化亞鐵處理含Cd²⁺的工業(yè)廢水；
故答案為：Cd²⁺（aq）+FeS（s）=Fe²⁺（aq）+CdS（s）；
（3）1molZnFe₂O₄變?yōu)閆nFe₂O_3.5時化合價升高了1價，則根據得失電子守恒原理，則氫氣化合價應降低1價，即參加反應的氫氣的物質的量為0.5mol，即n（ZnFe₂O₄）：n（H₂）=2：1； ZnFe₂O_3.5與NO₂ 反應生成N₂和ZnFe₂O₄，其反應方程式為：2NO₂+8ZnFe₂O_3.5=N₂+8ZnFe₂O₄；
故答案為：2：1；2NO₂+8ZnFe₂O_3.5=N₂+8ZnFe₂O₄；
（4）①反應過程中鐵元素由+3價降低到+2價，Li₂CO₃中的碳元素由+4價降低到+2價，由0價升為+2價，故1molC參與反應轉移2mol電子，故答案為：2N_A（或2×6.02×10²³）；
②充電時陽極上LiFePO₄^-失電子發(fā)生氧化反應：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺；
故答案為：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺；
（5）若不出現渾濁現象，則c（Fe³⁺）×C³（OH^-）≤K_sp[Fe（OH）₃]，代入有關數據后可求出c³（OH^-）≤$\frac{4.0×1{0}^{-38}}{5}$，c（OH^-）=2×10^-13mol/L，c（H⁺）≥0.05mol/L，設加入鹽酸體積為x，則有$\frac{x×2mol/L}{100mL}$=0.05mol/L，解得x=2.5mL，故至少要加入2.5mL相應的鹽酸；
故答案為：2.5．

點評 本題考查了氧化還原反應、離子方程式的書寫、化學方程式的書寫、原電池原理的應用等，題目難度中等，側重于基礎知識的綜合應用考查．