Question

8．高鐵酸鉀是綠色、環(huán)保型水處理劑，也是高能電池的電極材料．工業(yè)上，利用硫酸亞鐵為原料，
通過鐵黃（FeOOH）制備高鐵酸鉀，可降低生產(chǎn)成本且產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)．工藝流程如下：

回答下列問題：
（1）有同學(xué)認(rèn)為上述流程可以與氯堿工業(yè)聯(lián)合．寫出電解飽和食鹽水制取次氯酸鈉的化學(xué)方程式NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$NaClO+H₂↑．
（2）制備鐵黃的反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1：4．實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)溶液的pH、溫度對(duì)鐵黃產(chǎn)率的影響如圖所示．反應(yīng)溫度宜選擇40℃；pH大于4.5時(shí)鐵黃產(chǎn)率降低的主要原因可能是酸性減弱，F(xiàn)e（OH）₃增多．

（3）用高鐵酸鉀處理水時(shí)，不僅能消毒殺菌，還能除去水體中的H₂S、NH₃、CN^-等，生成的氫氧化鐵膠體粒子還能吸附水中懸浮雜質(zhì)．試寫出高鐵酸鉀處理含CN^-廢水時(shí)除去CN^-的離子方程式10FeO₄^2-+6CN^-+22H₂O=10Fe（OH）₃（膠體）+6CO₃^2-+3N₂↑+14OH^-．
（4）K₂FeO₄可作鋅鐵堿性高能電池的正極材料，電池反應(yīng)原理：
2K₂FeO₄+3Zn+8H₂O$?_{放電}^{充電}$2Fe（OH）₃+3Zn（OH）₂+4KOH．放電時(shí)負(fù)極材料是Zn；充電時(shí)陽極的電極反應(yīng)式為Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．
（5）已知：常溫下，K_ap1Fe（OH）₃]=4.0×10^-38．高鐵酸鉀的凈水能力與廢水的pH有關(guān)，當(dāng)溶液pH=2時(shí)，廢水中c（Fe³⁺）=0.04mol•L^-1．
（6）如果上述流程中，鐵元素總利用率為75%．利用1mol 2mol•L^-1FeSO₄溶液能制備純度為90%的高鐵酸鉀330kg．

Answer 1

分析 制備高鐵酸鉀：硫酸亞鐵中+2價(jià)的鐵具有還原性，氧氣具有氧化性，兩者反應(yīng)生成鐵黃，反應(yīng)為：4Fe²⁺+O₂+6H₂O=4FeOOH+8H⁺，氯氣和氫氧化鈉反應(yīng)生成氯化鈉、次氯酸鈉和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Cl₂+2NaOH═NaCl+NaClO+H₂O，鐵黃和次氯酸鈉反應(yīng)生成高鐵酸鈉，2FeOOH+3NaClO+4NaOH=2Na₂FeO₄+3NaCl+3H₂O，高鐵酸鈉在溶液中溶解度大于高鐵酸鉀，加入氯化鉀，2KOH+Na₂FeO₄ =K₂FeO₄+2NaOH，高鐵酸鈉在溶液中轉(zhuǎn)化成高鐵酸鉀，靜置，抽濾獲得粗產(chǎn)品．
（1）根據(jù)反應(yīng)物和生成物寫出反應(yīng)方程式，電解飽和食鹽水反應(yīng)生成次氯酸鈉和氫氣；
（2）化合價(jià)降低元素所在的反應(yīng)物是氧化劑，化合價(jià)升高元素所在的反應(yīng)物是還原劑，根據(jù)方程式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)圖示的實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)溶液的pH、溫度對(duì)鐵黃產(chǎn)率的影響分析；
（3）高鐵酸鉀中+6價(jià)的鐵具有氧化性，可以將CN^-氧化為氮?dú)夂投�氧化碳而除去，根�?jù)得失電子守恒和電荷守恒書寫離子方程式；
（4）原電池中，失電子的電極是負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，充電時(shí)，陽極上Fe（OH）₃失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
（5）pH為2時(shí)，c（OH^-）=10^-12mol/L，結(jié)合K_sp（Fe（OH）₃）=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38計(jì)算c（Fe³⁺）；
（6）根據(jù)鐵元素守恒計(jì)算90%的高鐵酸鉀的質(zhì)量．

解答 解：（1）電解飽和食鹽水，氯氣和氫氧化鈉充分接觸，產(chǎn)物僅是次氯酸鈉和氫氣，則發(fā)生的反應(yīng)為：NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$NaClO+H₂↑，
故答案為：NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$NaClO+H₂↑；
（2）硫酸亞鐵中+2價(jià)的鐵具有還原性，鐵元素從+2價(jià)升高為+3價(jià)，亞鐵離子為還原劑，氧氣具有氧化性，氧元素從0價(jià)降低為-2價(jià)，氧氣為氧化劑，兩者反應(yīng)生成鐵黃，反應(yīng)為：4Fe²⁺+O₂+6H₂O=4FeOOH+8H⁺，所以反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1：4，根據(jù)圖象，40℃左右時(shí)，鐵黃產(chǎn)率較高，PH大于4.5時(shí)生成了氫氧化鐵，使得鐵黃產(chǎn)率降低，
故答案為：1：4；40℃；酸性減弱，F(xiàn)e（OH）₃增多；
（3）高鐵酸鉀具有氧化性，可以將CN^-氧化為氮?dú)夂投�氧化碳而除去，本身被還原為氫氧化鐵，在堿性溶液中二氧化碳變成碳酸根離子，反應(yīng)的方程式為：10FeO₄^2-+6CN^-+22H₂O=10Fe（OH）₃（膠體）+6CO₃^2-+3N₂↑+14OH^-，
故答案為：10FeO₄^2-+6CN^-+22H₂O=10Fe（OH）₃（膠體）+6CO₃^2-+3N₂↑+14OH^-；
（4）2K₂FeO₄+3Zn+8H₂O$?_{放電}^{充電}$2Fe（OH）₃+3Zn（OH）₂+4KOH，鋅反應(yīng)中化合價(jià)升高被氧化，失電子，是負(fù)極，充電時(shí)陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成高鐵酸根離子，電極反應(yīng)為：Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案為：Zn；Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O；
（5）PH=2時(shí)，C（OH^-）=10^-12mol/L，根據(jù)K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，C（Fe³⁺）=$\frac{4.0×1{0}^{-38}}{（1{0}^{-12}）^{3}}$mol/L=0.04mol/L，
故答案為：0.04；
（6）1mol 2mol•L^-1FeSO₄溶液中含有2molFeSO₄，根據(jù)鐵元素守恒，生成高鐵酸鉀的質(zhì)量為：m=2mol×75%×198g/mol÷90%=330kg，
故答案為：330．

點(diǎn)評(píng) 本題考查高鐵酸鉀的制備，題目側(cè)重學(xué)生的分析能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾�，注意把握物質(zhì)的性質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)流程，明確發(fā)生的離子反應(yīng)及電解反應(yīng)是解答的關(guān)鍵，題目難度中等．