Question

某硫酸工厂的酸性废水中砷（As）元素含量极高，为控制砷的排放，采用化学沉降法处理含砷废水，相关数据如下表．请回答以下问题：
表1．几种盐的K_sp                

难溶物	Ksp
Ca3（AsO4）2	6.8×10-19
CaSO4	9.1×10-6
FeAsO4	5.7×10-21

表2．工厂污染物排放浓度及允许排放标准

污染物	H2SO4	As
废水浓度	29.4g/L	1.6g?L-1
排放标准	pH 6～9	0.5mg?L-1

（1）该硫酸工厂排放的废水中硫酸的物质的量浓度c（H₂SO₄）=

 

mol?L^-1．
（2）若酸性废水中Fe³⁺的浓度为1.0×10^-4mol?L^-1，c（AsO₄^3-）=

 

mol?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），MnO₂被还原为Mn²⁺，反应的离子方程式为

 

．
（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

 

；
②Ca₃（AsO₄）₂在pH调节到8左右才开始沉淀，原因为

 

．
③砷酸（H₃AsO₄）分步电离的平衡常数（25℃）为：K₁=5.6×10^-3K₂=1.7×10^-7K₃=4.0×10^-12，
第三步电离的平衡常数的表达式为K₃=

 

．Na₃AsO₄的第一步水解的离子方程式为：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，该步水解的平衡常数（25℃）为：

 

（保留两位有效数字）．

Answer 1

分析：（1）依据图表中的硫酸质量浓度换算物质的量计算得到；
（2）依据Ksp越小，越易先生成沉淀，然后依据溶度积常数计算得到溶液的浓度；
（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；
③H₃AsO₄的第三步电离式为HAsO₄^2-?H⁺+AsO₄^3-，依此写出电离的平衡常数的表达式；依据水解常数与电离常数及Kw的关系计算．

解答：解：（1）图表中硫酸浓度为29.4g/L，换算物质的量浓度=

29.4g 98g/L

1L

=0.3mol?L^-1，故答案为：0.3；
（2）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-）=5.7×10^-21；Fe³⁺的浓度均为1.0×10^-4mol?L^-1，则 c（AsO₄^3-）=

Ksp(FeAsO4)

c(Fe3+)

=5.7×10^-17mol/L，故答案为：5.7×10^-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），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；
③H₃AsO₄的第三步电离式为HAsO₄^2-?H⁺+AsO₄^3-，所以第三步电离的平衡常数的表达式为K₃=

c(AsO43-)?c(H+)

c(HAsO42-)

；Na₃AsO₄的第一步水解的离子方程式为：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，该步水解的平衡常数Kh=

c(HAsO42-)?c(OH-)

c(AsO43-)

=

c(HAsO42-)?c(OH-)?c(H+)

c(AsO43-)?c(H+)

=

Kw

K3

=

10-14

4.0×10-12

=2.5×10^-3；
故答案为：2.5×10^-3．

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，水解常数和电离常数的计算，离子方程式的书写，沉淀的形成等，考查的知识点较多，侧重于对学生计算能力的考查，题目难度中等．