Question

5．铁合金厂废气主要来源于矿热电炉、精炼电炉、焙烧回转窑和多层机械焙烧炉．铁合金厂废气排放量大，含尘浓度高，废气中含有Fe₂O₃、Fe₃O₄、MnO₂焦炭颗粒等烟尘成分，还含有高达4000-7000mL/m³的SO₂气体，其回收利用价值较高．某国际知名的EZJSY•TJW实验室提出如图回收流程：

回答下列问题：
（1）若流程中某装置是一恒温恒容容器，则在催化剂条件下可发生反应：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）．若起始通入2molSO₂和1molO₂在此条件下达到平衡．那么下列哪种投料方法会达到此条件下的等效平衡AD
A、2molSO₃ 　　　　B、2molSO₂、1molO₂和2molSO₃
C、4molSO₂和2molO₂ 　  D、1molSO₂、0.5molO₂和1molSO₂
（2）在本流程中，某装置实际上是一个燃料电池装置，电解质溶液为稀硫酸．试写出该反应中负极的电极反应式：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．
（3）物质X为双氧水（填名称）
（4）假设溶液A中溶质浓度为1mol/L，若要使Fe³⁺不产生沉淀，需控制溶液的pH＜2.6（已知Ksp[Fe（OH）₃]=1.28×10^-34mol⁴•L^-4，lg2=0.3）
（5）由溶液A得到Fe₂（SO₄）₃粉末需要进行的操作是蒸发浓缩、冷却结晶．
（6）若向溶液A中加入Na₂CO₃溶液，反应的离子方程式为：2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑．

Answer 1

分析 铁合金厂废气通过净化除尘可以得到固体（含Fe₂O₃、Fe₃O₄、MnO₂焦炭颗粒）和SO₂气体，SO₂气体和氧气在电解质溶液为稀硫酸的燃料电池下发生反应生成了硫酸，硫酸用于溶于固体发生反应为Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O；Fe₃O₄+4H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O，过滤得到滤液含有FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃、H₂SO₄，滤渣含有MnO₂、焦炭，向滤液中加入双氧水得到Fe₂（SO₄）₃．
（1）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）是一个反应前后气体体积不等的反应，在恒温恒容条件下，通过转化投料相同才能达到等效平衡，据此分析；
（2）此装置为二氧化硫燃料电池，根据原电池的原理可以写出负极反应式；
（3）根据流程图可知要将FeSO₄氧化成Fe₂（SO₄）₃而不要引入新的杂质很容易想到选用双氧水作氧化剂；
（4）根据沉淀溶解平衡常数Ksp公式进行计算可以推算出C（OH^-），进而求算出溶液的pH；
（5）要从溶液中得到Fe₂（SO₄）₃粉末通常需要进行的操作是蒸发浓缩、冷却结晶；
（6）溶液A中主要成分为Fe₂（SO₄）₃，加入Na₂CO₃溶液，其中Fe³⁺和CO₃^2-+发生双水解反应生成Fe（OH）₃和CO₂．

解答 解：（1）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）是一个反应前后气体体积不等的反应，在恒温恒容条件下，通过转化投料相同才能达到等效平衡，通过转化A．相当于投入2molSO₂和1molO₂B．相当于投入4molSO₂和2molO₂C.4molSO₂和2molO₂D．通过转化相当于投入4molSO₂和2molO₂，AD符合题意，故选AD；
（2）由题意可知这是利用硫酸作电解质溶液的SO₂的燃料电池，2SO₂和O₂通过原电池生成硫酸，负极为SO₂气体，负极反应为SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺，故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺；
（3）根据流程图可知要将FeSO₄氧化成Fe₂（SO₄）₃而不要引入新的杂质很容易想到选用双氧水作氧化剂，故答案为：双氧水；
（4）C（Fe₂（SO₄）₃）=1mol/L所以C（Fe³⁺）=2mol/L
Ksp[Fe（OH）₃]=C（Fe³⁺）•C³（OH^-）=1.28×10^-34mol⁴•L^-4
C（OH^-）=$\root{3}{\frac{Ksp[Fe（OH）3]}{C（Fe3+）}}$=$\root{3}{\frac{1.28×1{0}^{-34}mo{l}^{4}•{L}^{-4}}{2mol/L}}$=4×10^-12mol/L
C（H⁺）=$\frac{Kw}{C（O{H}^{-}）}$=$\frac{1{0}^{-14}}{4×1{0}^{-12}mol/L}$=$\frac{1{0}^{-2}}{4}$mol/L
pH=-lgC（H⁺）=-lg$\frac{1{0}^{-2}}{4}$=-（lg10^-2-lg4）=2+2lg2=2+2×0.3=2.6，pH越大Fe³⁺越容易沉淀，所以pH要小于2.6，故答案为：2.6；
（5）要从溶液中得到Fe₂（SO₄）₃粉末通常需要进行的操作是蒸发浓缩、冷却结晶，故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（6）溶液A中主要成分为Fe₂（SO₄）₃，加入Na₂CO₃溶液，其中Fe³⁺和CO₃^2-+发生双水解反应生成Fe（OH）₃和CO₂，反应为2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑，故答案为：2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，侧重考查学生基本操作、物质性质等知识点，涉及离子检验、双水解反应、氧化还原反应等知识点，明确实验原理及物质性质是解本题关键，注意化学用语的灵活运用，题目难度中等．