Question

3．鐵元素是重要的金屬元素，鐵單質(zhì)及化合物在工業(yè)和生活中也有廣泛的用途．
（1）在實(shí)驗(yàn)室中，F(xiàn)eCl₂可用鐵粉和鹽酸反應(yīng)制備，F(xiàn)eCl₃可用鐵粉和氯氣反應(yīng)制備．
（2）高鐵酸鉀（K₂FeO₄）是一種強(qiáng)氧化劑，可作為水處理劑和高容量電池材料．FeCl₃與KClO在強(qiáng)堿性條件下反應(yīng)制取K₂FeO₄，其反應(yīng)的離子方程式為2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O．與MnO₂-Zn電池類似，K₂FeO₄-Zn也可組成堿性電池，該電池的總反應(yīng)的離子方程式為3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-．
（3）鐵與水反應(yīng)：3Fe（s）+4H₂O（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H＜0上述反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{[{H}_{2}]{\;}^{4}}{[{H}_{2}O]^{4}}$．
（4）若在2L恒容絕熱（不與外界交換能量）裝置中，按下表充入起始物質(zhì)，起始時(shí)與平衡后的物質(zhì)的物質(zhì)的量見下表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
起始/mol	3.0	4.0	0	0
平衡/mol	m	n	p	q

達(dá)平衡后，若再加入四種物質(zhì)，各物質(zhì)的物質(zhì)的量如下表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
A/mol	3.0	4.0	0	0
B/mol	0	0	1.0	4.0
C/mol	m	n	p	q

當(dāng)重新達(dá)到平衡狀態(tài)后，上述各裝置中H₂的百分含量按由大到小的順序排列的關(guān)系是B＞C＞A（用A、B、C表示）．
（5）已知常溫下：Fe（OH）₃的K_sp[Fe（OH）₃]=1.0×10^-39，K_sp[Mg（OH）₂]=1.0×10^-12，若將MgCl₂、FeCl₃均為0.1mol•L^-1混合溶液中的pH用MgO調(diào)節(jié)至pH=4，則溶液中$\frac{c（M{g}^{2+}）}{c（F{e}^{3+}）}$比值約為10⁸．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)二價(jià)鐵離子與三價(jià)鐵離子之間轉(zhuǎn)化解答；
（2）FeCl₃與KClO在強(qiáng)堿性條件下反應(yīng)生成K₂FeO₄，依據(jù)得失電子守恒、原子個(gè)數(shù)守恒書寫方程式；
K₂FeO₄-Zn也可以組成堿性電池，K₂FeO₄在電池中作為正極材料，負(fù)極為鋅失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)Zn-2e^-+2OH^-=Zn（OH）₂；依據(jù)產(chǎn)物和電子守恒寫出正極反應(yīng)：FeO₄^2-+3eˉ+4H₂O→Fe（OH）₃+5OHˉ；有正極反應(yīng)和負(fù)極反應(yīng)合并得到電池反應(yīng)；
（3）平衡常數(shù)表達(dá)式等于生成物濃度冪之積除以反應(yīng)物濃度冪之積，固體與純液體不代入表達(dá)式；
（4）恒容絕熱根據(jù)反應(yīng)時(shí)溫度變化，判斷平衡移動(dòng)，分析氫氣的百分含量；
（5）依據(jù)氫氧化鐵、氫氧化鎂溶度積常數(shù)計(jì)算解答．

解答 解：（1）三價(jià)鐵離子具有氧化性，能夠與鐵反應(yīng)生成二價(jià)鐵離子，所以在實(shí)驗(yàn)室中，F(xiàn)eCl2可用鐵粉和氯化鐵反應(yīng)制備；二價(jià)鐵離子具有還原性，能夠被氯氣氧化生成三價(jià)鐵離子，所以FeCl₃可用鐵粉和 氯氣反應(yīng)制備；
故答案為：鹽酸；氯氣；
（2）用FeCl₃與KClO在強(qiáng)堿性條件下反應(yīng)制取K₂FeO₄，反應(yīng)的離子方程式為2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，
原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極電極反應(yīng)式為：①FeO₄^2-+3eˉ+4H₂O=Fe（OH）₃+5OH^-；負(fù)極電極反應(yīng)為：②Zn-2e^-+2OH^-=Zn（OH）₂；依據(jù)電極反應(yīng)的電子守恒，①×2+②×3合并得到電池反應(yīng)為：3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-，
故答案為：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-；
（3）3Fe（s）+4H₂O（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H＜0，反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{[{H}_{2}]{\;}^{4}}{[{H}_{2}O]^{4}}$；
故答案為：K=$\frac{[{H}_{2}]{\;}^{4}}{[{H}_{2}O]^{4}}$；
（4）由于反應(yīng)前后氣體體積相等，所以C條件下，平衡不移動(dòng)，氫氣的體積分?jǐn)?shù)與平衡是相同；A狀況下，反應(yīng)正向進(jìn)行生成氫氣，反應(yīng)放出熱量使容器溫度升高，抑制反應(yīng)繼續(xù)生成氫氣，故氫氣體積分?jǐn)?shù)較低，B狀況下反應(yīng)逆向進(jìn)行生成Fe和水，是吸熱過(guò)程，使容器溫度降低，抑制反應(yīng)繼續(xù)消耗氫氣，所以氫氣的體積分?jǐn)?shù)較高，故H₂的百分含量按由大到小的順序排列：B＞C＞A；
故答案為：B＞C＞A；
（5）pH=4，則[H⁺]=10^-4mol/L，依據(jù)[H⁺][OH^-]=10^-14，得[OH^-]=10^-10mol/L，
Qc[（Mg（OH）₂]=0.1mol/L×（10^-10mol/L）²=10^-21（mol/L）²，Qc＜K_sp[Mg（OH）₂]，鎂離子未沉淀，則鎂離子濃度C=0.1mol/L；
Qc[Fe（OH）₃]=0.1mol•L^-1×（10^-10mol/L）³=10^-31（mol/L）³，Qc[Fe（OH）₃]＞K_sp[Fe（OH）₃]，則溶液中三價(jià)鐵離子濃度C（Fe³⁺）=$\frac{Ksp}{C{\;}^{3}（OH{\;}^{-}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-}{\;}^{10}）{\;}^{3}}$=1.0×10^-9mol/L；
則：則溶液中$\frac{c（M{g}^{2+}）}{c（F{e}^{3+}）}$比值約為$\frac{0.1}{1{0}^{-9}}$=10⁸，
故答案為：10⁸．

點(diǎn)評(píng) 本題為綜合題，考查了不同價(jià)態(tài)鐵元素之間轉(zhuǎn)化，化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式書寫、有關(guān)溶度積常數(shù)計(jì)算，題目難度較大，準(zhǔn)確把握化學(xué)平衡理論是解題關(guān)鍵．