Question

6．濕法-火法聯(lián)合工藝從鉛膏（主要成分為PbO、PbO₂、PbSO₄）中提取鉛的一種工藝流程如圖1所示：
已知：Ksp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14．
（1）步驟I中，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的離子方程式為PbO₂+2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺═PbSO₄+2Fe³⁺+2H₂O．
（2）若步驟I充分反應(yīng)后未過濾、洗滌，直接加入Na₂CO₃溶液，會導(dǎo)致步驟II中Na₂CO₃的用量增加，其原因是溶液中的H⁺、Fe³⁺會與CO₃^2-反應(yīng)．
（3）若母液中c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=3.3×10^-6mol•L^-1，試通過計算判斷PbCO₃中是否混有PbSO₄？請寫出計算過程．PbCO₃：c（Pb²⁺）=3.3×10^-14/3.3×10^-6=1.0×10^-8mol•L^-1；PbSO₄：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=1.0×10^-8×1.6=1.6×10^-8＜Ksp（PbSO₄）
說明PbSO₄在母液中未飽和，即PbCO₃中不混有PbSO₄．
（4）步驟II中，若用同體積、同濃度的NaHCO₃溶液代替Na₂CO₃溶液，對PbSO₄轉(zhuǎn)化率有何影響，并說明理由．PbSO₄轉(zhuǎn)化率變小，理由是相同濃度的Na₂CO₃和NaHCO₃溶液中，前者c（CO₃^2-）較大．
（5）步驟III中，PbCO₃和焦炭按物質(zhì)的量比2：1投料，則排放氣體的主要成分是CO₂．
（6）鈉離子交換膜固相電解法是從鉛膏中提取鉛的一種新工藝，裝置示意圖2為：將鉛膏投入陰極室，鉛膏中的PbSO₄與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)：PbSO₄+3OH^-═HPbO₂^-+SO₄^2-+H₂O．
①a與外接電源的正極相連．
②電解過程中，PbO₂、PbO、HPbO₂^-在陰極放電，
其中HPbO₂^-放電的電極反應(yīng)式為HPbO₂^-+2e^-+H₂O═Pb+3OH^-．
③與傳統(tǒng)無膜固相電解法相比，使用鈉離子交換膜可以提高Pb元素的利用率，原因是鈉離子交換膜阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化．

Answer 1

分析 （1）鉛膏（主要成分為PbO、PbO₂、PbSO₄），發(fā)生的反應(yīng)為PbO₂+2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺═PbSO₄+2Fe³⁺+2H₂O；
（2）若步驟I充分反應(yīng)后未過濾、洗滌，溶液中的H⁺、Fe³⁺會與CO₃^2-反應(yīng)，會導(dǎo)致步驟II中Na₂CO₃的用量增加；
（3）因?yàn)镵sp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14，c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=3.3×10^-6mol•L^-1，PbCO₃中：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（PbC{O}_{3}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{3.3×1{0}^{-14}}{3.3×1{0}^{-6}}$=1.0×10^-8mol•L^-1；PbSO₄中：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=1.0×10^-8×1.6=1.6×10^-8＜Ksp（PbSO₄），說明PbSO₄在母液中未飽和，即PbCO₃中不混有PbSO₄；
（4）若用同體積、同濃度的NaHCO₃溶液代替Na₂CO₃溶液，由于Na₂CO₃溶液中c（CO₃^2-）較大，NaHCO₃溶液中c（CO₃^2-）較小，使得PbSO₄轉(zhuǎn)化率變��；
（5）PbCO₃和焦炭按物質(zhì)的量比2：1投料，反應(yīng)為2PbCO₃+C=2Pb+3CO₂；
（6）①根據(jù)鈉離子向陰極移動知，a為陽極，與電源正極相連；
②電解過程中，HPbO₂^-在陰極得電子，電極反應(yīng)式為HPbO₂^-+2e^-+H₂O═Pb+3OH^-；
③鈉離子交換膜只允許鈉離子通過，阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化，從而提高Pb元素的利用率．

解答 解：（1）鉛膏（主要成分為PbO、PbO₂、PbSO₄）中加入酸性硫酸亞鐵溶液，發(fā)生的反應(yīng)為PbO₂+2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺═PbSO₄+2Fe³⁺+2H₂O，故答案為：PbO₂+2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺═PbSO₄+2Fe³⁺+2H₂O；
（2）若步驟I充分反應(yīng)后未過濾、洗滌，溶液中的H⁺、Fe³⁺會與CO₃^2-反應(yīng)，會導(dǎo)致步驟II中Na₂CO₃的用量增加，故答案為：溶液中的H⁺、Fe³⁺會與CO₃^2-反應(yīng)；
（3）因?yàn)镵sp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14，c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=3.3×10^-6mol•L^-1，PbCO₃中：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（PbC{O}_{3}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{3.3×1{0}^{-14}}{3.3×1{0}^{-6}}$=1.0×10^-8mol•L^-1；PbSO₄中：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=1.0×10^-8×1.6=1.6×10^-8＜Ksp（PbSO₄），說明PbSO₄在母液中未飽和，即PbCO₃中不混有PbSO₄，故答案為：PbCO₃：c（Pb²⁺）=$\frac{3.3×1{0}^{-14}}{3.3×1{0}^{-6}}$=1.0×10^-8mol•L^-1；PbSO₄：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=1.0×10^-8×1.6=1.6×10^-8＜Ksp（PbSO₄），說明PbSO₄在母液中未飽和，即PbCO₃中不混有PbSO₄；
（4）若用同體積、同濃度的NaHCO₃溶液代替Na₂CO₃溶液，由于Na₂CO₃溶液中c（CO₃^2-）較大，NaHCO₃溶液中c（CO₃^2-）較小，使得PbSO₄轉(zhuǎn)化率變小，故答案為：PbSO₄轉(zhuǎn)化率變小，理由是相同濃度的Na₂CO₃和NaHCO₃溶液中，前者c（CO₃^2-）較大；
（5）PbCO₃和焦炭按物質(zhì)的量比2：1投料，反應(yīng)為2PbCO₃+C=2Pb+3CO₂，故答案為：CO₂；
（6）①根據(jù)鈉離子向陰極移動知，a為陽極，與電源正極相連，故答案為：正；
②電解過程中，HPbO₂^-在陰極放電，其中HPbO₂^-放電的電極反應(yīng)式為HPbO₂^-+2e^-+H₂O═Pb+3OH^-，故答案為：HPbO₂^-+2e^-+H₂O═Pb+3OH^-；
③鈉離子交換膜只允許鈉離子通過，阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化，從而提高Pb元素的利用率，故答案為：鈉離子交換膜阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化．

點(diǎn)評 本題以從鉛膏（主要成分為PbO、PbO₂、PbSO₄）中提取鉛的為背景，考查未知反應(yīng)書寫、溶度積、電化學(xué)及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)問題，向考生展示運(yùn)用化學(xué)知識解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題，體現(xiàn)了化學(xué)與環(huán)境、化學(xué)與生活的關(guān)系，引導(dǎo)考生關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的科學(xué)技術(shù)及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展．