Question

8．高鐵酸鉀（K₂FeO₄）不僅是一種綠色高效多功能水處理劑，還是一種環(huán)保堿性電池的正極活性物質(zhì)，應(yīng)用前景十分廣闊．已知干燥的高鐵酸鉀穩(wěn)定，但含有少量水分的高鐵酸鉀熱穩(wěn)定性差．目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)高鐵酸鉀的合成方法主要有：高溫氧化法（干法）、次氯酸鹽氧化法（濕法）和電解法．
（1）上述三種方法通常先制備Na₂FeO₄，再根據(jù)原理Na₂FeO₄（s）+2KOH=K₂FeO₄（s）+2NaOH在某低溫條件下制得K₂FeO₄，說明此溫度下Ksp（K₂FeO₄）＜Ksp（Na₂FeO₄）（填“＞”“=”或“＜”）
（2）干法是用Na₂O₂作為氧化劑，與FeSO₄在較高溫度下發(fā)生反應(yīng)：
2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑
若該反應(yīng)生成氧氣840mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），則反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為0.375mol．
（3）改進(jìn)后的濕法可直接制備高鐵酸鉀，基本流程如圖所示：

①反應(yīng)II的離子方程式為2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；該反應(yīng)一般控制在30℃以下的原因是防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解，抑制K₂FeO₄與水的反應(yīng)．
②洗滌粗品時(shí)選用無(wú)水乙醇而不用水的原因是減少K₂FeO₄的溶解損失．
③反應(yīng)的溫度、原料的濃度和配比對(duì)高鐵酸鉀的產(chǎn)率都有影響．圖1為不同的溫度下，不同質(zhì)量濃度的Fe（NO₃）₃對(duì)K₂FeO₄生成率的影響；圖2為一定溫度下，F(xiàn)e（NO₃）₃質(zhì)量濃度最佳時(shí)，KClO濃度對(duì)K₂FeO₄的生成率的影響．則生產(chǎn)中最佳溫度為26℃，此時(shí)KClO與Fe（NO₃）₃兩種溶液的最佳質(zhì)量濃度之比為5：6（填最簡(jiǎn)整數(shù)比）．

（4）電解法是以鐵絲網(wǎng)為陽(yáng)極電解NaOH溶液，然后在陽(yáng)極液中加入50%的KOH溶液，充分反應(yīng)后，過濾、用無(wú)水乙醇洗滌、干燥，即可制得K₂FeO₄．
①陽(yáng)極的電極反應(yīng)是Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O．
②電解過程中，維持電流強(qiáng)度為1A，電解15分鐘后，理論上消耗鐵0.26g．（已知F=96500C•mol^-1，結(jié)果保留2位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 （1）相同溫度下，溶度積大的物質(zhì)向溶度積小的物質(zhì)轉(zhuǎn)化；
（2）反應(yīng)2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑中，F(xiàn)e元素化合價(jià)升高，F(xiàn)eSO₄為還原劑，反應(yīng)中Na₂O₂的O元素化合價(jià)既升高又降低，則Na₂O₂既是氧化劑又是還原劑，結(jié)合元素化合價(jià)的變化計(jì)算轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目；
（3）根據(jù)流程，得到高鐵酸鉀，工業(yè)上常采用NaClO氧化法生產(chǎn)，原理為：向氫氧化鉀中通入氯氣，可以得到次氯酸鉀溶液，調(diào)節(jié)pH，向其中加入硝酸鐵，次氯酸鉀可以將之氧化，3KClO+2Fe（NO₃）₃+10KOH=2K₂FeO₄↓+3KCl+6KNO₃+5H₂O，過濾，即可得到高鐵酸鉀，向其中加入氫氧化鉀固體，可以得到高鐵酸鉀，用無(wú)水乙醇洗滌，干燥得到高鐵酸鉀．
①氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑次氯酸鈉，硝酸鐵水解產(chǎn)生氫氧化鐵膠體，次氯酸鈉將氫氧化鐵氧化成高鐵酸鈉，據(jù)此寫出氧化過程的離子方程式；已知高鐵酸鹽熱穩(wěn)定性差，在實(shí)際生產(chǎn)中一般控制反應(yīng)溫度30℃以下，其原因是防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解；
②洗滌晶體表面的雜質(zhì)離子，同時(shí)減少K₂FeO₄晶體的損失；
③選擇K₂FeO₄的生成率最高的溫度；根據(jù)圖示求解Fe（NO₃）₃與NaClO兩種溶液最佳質(zhì)量濃度之比；
（4）①由題目信息可知，鐵為陽(yáng)極電解氫氧化鈉溶液，生成FeO₄^2-，由元素守恒還生成水；
②根據(jù)電子轉(zhuǎn)移計(jì)算鐵的質(zhì)量．

解答 解：（1）相同溫度下，溶度積大的物質(zhì)向溶度積小的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，所以K_sp（K₂FeO₄）＜K_sp（Na₂FeO₄），
故答案為：＜；        
（2）反應(yīng)2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑中，該反應(yīng)中Fe元素化合價(jià)由+2價(jià)變?yōu)?6價(jià)、過氧化鈉中O元素化合價(jià)由-1價(jià)變?yōu)?價(jià)和+2價(jià)，所以Na₂FeO₄和氧氣為氧化產(chǎn)物，2 mol FeSO₄發(fā)生反應(yīng)時(shí)，生成2molNa₂FeO₄，轉(zhuǎn)移8mol電子，同時(shí)生成1molO₂，反應(yīng)中共有10mol電子轉(zhuǎn)移，若該反應(yīng)生成氧氣840mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），則反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為$\frac{840mL×1{0}^{-3}L/mL}{22.4L/mol}×10mol$=0.375mol，
故答案為：0.375；
（3）①氯氣與氫氧化鉀反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑次氯酸鉀，次氯酸鉀將鐵離子氧化成高鐵酸鉀，離子方程式為：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；已知高鐵酸鹽熱穩(wěn)定性差，在實(shí)際生產(chǎn)中一般控制反應(yīng)溫度30℃以下，其原因是防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解，水解吸熱，控制反應(yīng)溫度30℃以下也可抑制K₂FeO₄與水的反應(yīng)，
故答案為：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O； 防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解，抑制K₂FeO₄與水的反應(yīng)；
②K₂FeO₄晶體溶于水，不溶于酒精，所以選用無(wú)水乙醇而不用水目的是洗滌晶體表面的雜質(zhì)離子，同時(shí)減少K₂FeO₄晶體的損失，防止晶體溶解，影響產(chǎn)率；
故答案為：減少K₂FeO₄的溶解損失；
③由圖2可知，溫度在26℃時(shí)，K₂FeO₄的生成率最高，故工業(yè)生產(chǎn)中最佳溫度為26℃，在該溫度下生成高鐵酸鉀的產(chǎn)率最大，此時(shí)Fe（NO₃）₃與NaClO兩種溶液最佳質(zhì)量濃度之比為$\frac{275}{330}$=$\frac{5}{6}$，
故答案為：26；$\frac{5}{6}$；
（4）①由題目信息可知，鐵為陽(yáng)極電解氫氧化鈉溶液，生成FeO₄^2-，陽(yáng)極電極反應(yīng)式為Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；
 ②若維持電流強(qiáng)度為1A，電池工作15分鐘，通過電子為$\frac{1A×900s}{96500C/mol}$，則理論消耗鐵為$\frac{1A×900s}{96500C/mol}$×$\frac{1}{6}$×56g/mol≈0.087g，
故答案為：0.087．

點(diǎn)評(píng) 本題考查考查高鐵酸鉀的制備，側(cè)重考查閱讀題目獲取信息的能力、對(duì)工藝流程的理解與條件的選擇控制，題目難度中等，需要學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)與靈活運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力，解答本題時(shí)注意把握題給信息，學(xué)習(xí)中注重知識(shí)遷移能力的培養(yǎng)．