Question

12．以硫铁矿为原料生产硫酸所得的酸性废水中砷元素含量极高，为控制砷的排放，用化学沉降法处理含砷废水，相关数据如下表．

表1．几种砷酸盐的Ksp
难溶物	Ksp
Ca3（AsO4）2	6.8×10-9
AlAsO4	1.6×10-16
FeAsO4	7.2×10-21

表2．工厂污染物排放浓度及允许排放标准
污染物	H2SO4	As
浓度	19.6g/L	1.6g•L-1
排放标准	pH6～9	0.5mg•L-1

回答以下问题：
（1）该硫酸工厂排放的废水中硫酸的物质的量浓度c（H₂SO₄）=0.2mol•L^-1．
（2）写出难溶物Ca₃（AsO₄）₂的K_sp表达式：K_sp[Ca₃（AsO₄）₂]=c³（Ca²⁺）•c²（AsO₄^3-），若混合溶液中Al³⁺、Fe³⁺的浓度均为1.0×10^-4mol•L^-1，c（AsO₄^3-）的最大是7.2×10^-17mol•L^-1．
（3）工厂排放出的酸性废水中的三价砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先将其氧化成五价砷（H₃AsO₄弱酸），写出该反应的离子方程式2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O．
（4）在处理含砷废水时采用分段式，先向废水中投入生石灰调节pH到2，再投入生石灰将pH调节到8左右使五价砷以Ca₃（AsO₄）₂形式沉降．
①将pH调节到2时废水中有大量沉淀产生，沉淀主要成分的化学式为CaSO₄；
②Ca₃（AsO₄）₂在pH调节到8左右才开始沉淀的原因为H₃AsO₄是弱酸，当溶液中pH调节到8左右时AsO₄^3-浓度增大，Ca₃（AsO₄）₂开始沉淀．

Answer 1

分析 （1）据废水中硫酸的含量为19.6g/L计算其物质的量浓度；
（2）依据Ksp越小，先生成沉淀，依据溶度积常数计算得到两种浓度；
（3）根据反应物和生成物结合元素化合价的变化配平方程式；
（4）①硫酸钙难溶于酸，所以酸性条件下能析出；
②H₃AsO₄是弱酸电离出来的AsO₄^3-较少，所以酸性条件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀．

解答 解：（1）每L废水中含硫酸的物质的量为$\frac{19.6g}{98g/mol}$=0.2mol，所以其物质的量浓度为：$\frac{0.2mol}{1L}$=0.2mol/L，故答案为：0.2；
（2）K_sp[Ca₃（AsO₄）₂]=c³ （Ca²⁺）•c² （AsO₄^3-）；若混合溶液中Al³⁺、Fe³⁺的浓度均为1.0×10^-4mol•L^-1，依据Ksp大小可以得到，Ksp（FeAsO₄ ）小，反应过程中Fe³⁺先析出沉淀；依据Ksp（FeAsO₄ ）=c（Fe³⁺）c（AsO₄^3-）=7.2×10^-21；Fe³⁺的浓度均为1.0×10^-4mol•L^-1，计算得到 c（AsO₄^3-）=7.2×10^-17mol/L，
故答案为：c³ （Ca²⁺）•c² （AsO₄^3-）；7.2×10^-17；
（3）三价砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先将其氧化成五价砷（H₃AsO₄弱酸）同时生成Mn²⁺和H₂O，则该反应的离子方程式为：2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O，
故答案为：2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O；
（4）①硫酸钙难溶于酸，所以酸性条件下能析出，因此pH调节到2时废水中有大量沉淀产生，沉淀主要成分的化学式为CaSO₄，故答案为：CaSO₄；
②H₃AsO₄是弱酸电离出来的AsO₄^3-较少，所以酸性条件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，当溶液中pH调节到8左右时AsO₄^3-浓度增大，Ca₃（AsO₄）₂开始沉淀，
故答案为：H₃AsO₄是弱酸，当溶液中pH调节到8左右时AsO₄^3-浓度增大，Ca₃（AsO₄）₂开始沉淀．

点评 本题考查了溶液中浓度的换算，沉淀溶解平衡的溶度积常数计算，离子方程式的书写，沉淀的形成等，考查的知识点较多，题目难度中等，试题能够提高学生的分析、理解能力及计算能力．