Question

10．为了保护环境，充分利用资源，某研究小组通过如下简化流程，将工业制硫酸的硫铁矿烧渣（铁主要以Fe₂O₃存在）转变成重要的化工原料FeSO₄（反应条件略）．

活化硫铁矿还原Fe³⁺的主要反应为：FeS₂+7Fe₂（SO₄）₃+8H₂O=15FeSO₄+8H₂SO₄，不考虑其他反应．请回答下列问题：
（1）第Ⅰ步H₂SO₄与Fe₂O₃反应的离子方程式是Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）检验第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全还原，应选择BC（填字母编号）．
A．KMnO₄溶液                B．淀粉-KI溶液          C．KSCN溶液
（3）第Ⅲ步加FeCO₃调溶液pH到5.8左右，然后在第Ⅳ步通入空气使溶液pH降到5.2，此时Fe²⁺不沉淀，滤液中铝、硅杂质除尽．通入空气引起溶液pH降低的原因是氧气可以将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，Fe³⁺离子水解生成H⁺．
（4）FeSO₄在一定条件下可制得FeS₂（二硫化亚铁）纳米材料．该材料可用于制造高容量锂电池，电池放电时的总反应为4Li+FeS₂=Fe+2Li₂S，正极反应式是FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-．
（5）FeSO₄可转化为FeCO₃，FeCO₃在空气中加热反应可制得铁系氧化物材料．已知25℃，101kPa时：
4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe△H=-1648kJ/mol              
C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-392kJ/mol
2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol  
 FeCO₃在空气中加热反应生成Fe₂O₃的热化学方程式是4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol．
（6）假如烧渣中的铁全部视为Fe₂O₃，其含量为p．将b kg质量分数为c的硫酸加入到a kg烧渣中浸取，铁的浸取率为q，其他杂质浸出消耗的硫酸以及调pH后溶液呈微酸性所残留的硫酸忽略不计．按上述流程，第Ⅲ步应加入FeCO₃1.18bc-1.35pqa kg．

Answer 1

分析 硫铁矿烧渣用硫酸浸取，过滤后滤液中含有硫酸铁、未反应的硫酸，用活化硫铁矿还原Fe³⁺后过滤，向滤液中加入FeCO₃调节溶液pH，过滤后在通入空气、调节溶液pH，除去溶液中杂质离子，过滤浓缩结晶得到FeSO₄晶体．
（1）H₂SO₄与Fe₂O₃反应生成硫酸铁与水；
（2）用KSCN 溶液检验第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全还原；
（3）氧气可以讲亚铁离子氧化为铁离子，铁离子水解使溶液pH降低；
（4）电池放电时的总反应为：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正极发生还原反应，FeS₂获得电子生成Fe、S^2-；
（5）发生反应：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减，构造目标热化学方程式；
（6）第Ⅲ步应加入FeCO₃后，浸取时加入的硫酸、活化硫铁矿还原Fe³⁺时生成的硫酸完全转化为FeSO₄，根据FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃计算参加反应的FeS₂的物质的量，根据硫元素守恒计算n_总（FeSO₄），由Fe元素守恒计算n（FeCO₃），再根据m=nM计算其质量．

解答 解：硫铁矿烧渣用硫酸浸取，过滤后滤液中含有硫酸铁、未反应的硫酸，用活化硫铁矿还原Fe³⁺后过滤，向滤液中加入FeCO₃调节溶液pH，过滤后在通入空气、调节溶液pH，除去溶液中杂质离子，过滤浓缩结晶得到FeSO₄晶体．
（1）H₂SO₄与Fe₂O₃反应生成硫酸铁与水，反应离子方程式为：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，
故答案为：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）KMnO₄溶液可以检验有Fe²⁺生成，取第Ⅱ步反应中溶液少许与试管中，滴加KSCN 溶液，若溶液不变红色，说明Fe³⁺完全被还原，也可以加入淀粉-碘化钾溶液，铁离子存在会氧化碘离子生成碘单质，溶液变蓝色，故选BC，
故答案为：BC；
（3）氧气可以将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，Fe³⁺离子水解生成H⁺，使溶液pH降低，
故答案为：氧气可以将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，Fe³⁺离子水解生成H⁺；
（4）电池放电时的总反应为：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正极发生还原反应，FeS₂获得电子生成Fe、S^2-，正极电极反应式为：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-，
故答案为：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-；
（5）发生反应：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，
已知：①4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe₂O₃（s）△H=-1648kJ/mol
②C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-392kJ/mol
③2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol
根据盖斯定律，①-③×2+②×④可得4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g），故△H=-1648kJ/mol-2×（-1480kJ/mol）+4×（-392kJ/mol）=-256kJ/mol，
故反应热化学方程式为：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol，
故答案为：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol；
（6）假如烧渣中的铁全部视为Fe₂O₃，其含量为p．将b kg质量分数为c的硫酸加入到a kg烧渣中浸取，铁的浸取率为q，
Fe₂O₃含量为P，akg烧渣中，Fe₂O₃质量为P×akg，铁的浸取率为q，侧参加反应的Fe₂O₃质量为P×akg×q，其物质的量=$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，bkg质量分数为c的硫酸中m（H₂SO₄）=c×bkg，其物质的量=$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$mol，
第Ⅲ步应加入FeCO₃后，浸取时加入的硫酸、活化硫铁矿还原Fe³⁺时生成的硫酸完全转化为FeSO₄，
根据FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃，可知参加反应的FeS₂的物质的量$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，
根据硫元素守恒计算n_总（FeSO₄）=$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$×2+$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$，
由Fe元素守恒n（FeCO₃）=n_总（FeSO₄）-n（FeS₂）-2n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$×2+$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$-$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$-2×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$=$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$-$\frac{13}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，故m（FeCO₃）=[$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$-$\frac{13}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$]×116g/mol≈（1.18bc-1.35pqa）×10³g=（1.18bc-1.35pqa）kg，
故答案为：1.18bc-1.35pqa．

点评 本题以化学工艺流程为载体，考查离子方程式书写、离子检验、热化学方程式书写、电极反应式、化学计算等，需要学生熟练掌握元素化合物知识，（6）中计算为易错点、难点，注意利用守恒法计算，避免计算繁琐，较好的考查学生分析计算能力．