Question

11．以黄铁矿为原料制硫酸会产生大量的废渣，合理利用废渣可以减少环境污染，变废为宝．工业上利用废渣（含Fe²⁺、Fe³⁺的硫酸盐及少量CaO和MgO）制备高档颜料铁红（Fe₂O₃）和回收（NH₄）₂SO₄，具体生产流程如下：

（1）在废渣溶解操作时，应选用D溶解（填字母）．
A．氨水  B．氢氧化钠溶液   C．盐酸   D．硫酸
（2）为了提高废渣的浸取率，可采用的措施有哪些？将废渣粉碎、加热、搅拌等（至少写出两点）．
（3）物质A是一种氧化剂，工业上最好选用空气（供选择使用的有：空气、Cl₂、MnO₂），其理由是原料易得，成本低，不产生污染，不引入杂质．氧化过程中发生反应的离子方程式为4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O．
（4）根据如图有关数据，你认为工业上氧化操作时应控制的条件（从温度、pH和氧化时间三方面说明）是：溶液温度控制在80℃，pH控制在1.5，氧化时间为4 h左右．

（5）铵黄铁矾中可能混有的杂质有Fe（OH）₃、Ca（OH）₂、Mg（OH）₂、CaSO₄．
（6）铵黄铁矾的化学式可表示为（NH₄）_xFe_y（SO₄）_z（OH）_w，其化学式可通过下列实验测定：
①称取一定质量的样品加入稀硝酸充分溶解，将所得溶液转移至容量瓶并配制成100.00mL溶液A．
②量取25.00mL溶液A，加入盐酸酸化的BaCl₂溶液至沉淀完全，过滤、洗涤、干燥至恒重，得到白色固体9.32g．
③量取25.00mL溶液A，加入足量NaOH溶液，加热，收集到标准状况下气体448mL，同时有红褐色沉淀生成．
④将步骤③所得沉淀过滤、洗涤、灼烧，最终得固体4.80g．
通过计算，可确定铵黄铁矾的化学式为（NH₄）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂．（已知铵黄铁矾的摩尔质量为960g•mol^-1，计算过程中不考虑固体损失和气体溶解．

Answer 1

分析 废渣（含Fe²⁺、Fe³⁺的硫酸盐及少量CaO和MgO），将废渣溶解，溶解时加入的物质能溶解废渣但不能引进杂质；然后向溶液中加入A，A具有氧化性，能氧化亚铁离子但不能引进新的杂质且原料易得、成本低，应为空气中的氧气，然后向溶液中加入氨水，溶液中硫酸铁和氨水反应生成铵黄铁矾，同时溶液中镁离子、钙离子形成氢氧化钙、氢氧化镁、硫酸钙等会结晶析出，采用过滤方法分离得到铵黄铁矾和滤液；将滤液蒸发浓缩回收硫酸铵；
将铵黄铁矾溶于水得到溶液，然后向溶液中加入氨水，得到氢氧化亚铁沉淀，然后过滤得到滤渣，将滤渣加热得到铁红，
（1）溶解废渣的溶剂能溶解废渣且不能引进新的杂质；
（2）提高废渣的浸取率可以粉粹、搅拌、升温等措施；
（3）A是氧化剂，具有氧化性，能氧化亚铁离子，但不能引进新的杂质且原料易得、成本低；亚铁离子在酸性溶液中被氧化为铁离子；
（4）依据图象分析，亚铁离子的氧化率最高是溶液温度为80℃，pH为1.5；
（5）向溶液中加入氨水，溶液中硫酸铁和氨水反应生成铵黄铁矾，同时溶液中镁离子、钙离子形成氢氧化钙、氢氧化镁、硫酸钙等会结晶析出；
（6）②9.32g为不溶于盐酸的硫酸钡沉淀；
③标准状况下气体448mL气体为氨气，红褐色沉淀为氢氧化铁；
④得到的固体是氧化铁；
根据以上分析数据及电荷守恒，计算出黄钾铵铁矾各种成分的物质的量之比，就是黄钾铵铁矾的化学式．

解答 解：（1）溶解废渣的溶剂能溶解废渣且不能引进新的杂质，氨水和NaOH不溶解CaO和MgO，稀盐酸能溶解废渣但引进杂质，稀硫酸能溶解废渣且不引进新的杂质，故选D，
故答案为：D；
（2）为了提高废渣的浸取率，可采用的措施有：将废渣粉碎、加热、搅拌等，
故答案为：将废渣粉碎、加热、搅拌等；
（3）A是氧化剂，具有氧化性，能氧化亚铁离子，但不能引进新的杂质且原料易得、成本低，氯气和二氧化锰都具有氧化性，但引进新的杂质且成本高，所以选取空气，氧化过程中发生反应的离子方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O，
故答案为：空气；原料易得，成本低，不产生污染，不引入杂质；4Fe²⁺+O₂+4H⁺═4Fe³⁺+2H₂O；
（4）分析图象可知在80℃时 溶液PH=1.5，此时亚铁离子的氧化率在90%以上，时间在4h左右，
故答案为：溶液温度控制在80℃，pH控制在1.5，氧化时间为4 h左右；
（5）分析可知铵黄铁矾中可能混有的杂质有Fe（OH）₃、Ca（OH）₂、Mg（OH）₂、CaSO₄，
故答案为：Ca（OH）₂、Mg（OH）₂、CaSO₄；   
（6）②的沉淀为硫酸钡，硫酸钡的物质的量就等于溶液中硫酸根的物质的量：n（SO₄^2-）=n（BaSO₄）=$\frac{9.32g}{233g/mol}$=0.04 mol
③所得气体为氨气，溶液中铵离子物质的量就等于氨气的物质的量：n（NH₄⁺）=n（NH₃）=$\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02 mol
④最终得到的固体是氧化铁，根据铁原子守恒，溶液中的铁离子物质的量为：n（Fe³⁺）=2n（Fe₂O₃）=2×$\frac{4.80g}{160g/mol}$=0.06 mol
黄钾铵铁矾[（NH₄）_xFe_y（SO₄）_z（OH）_w]中，n（NH₄⁺）=0.02 mol，
根据电荷守恒：n（OH^-）=n（NH₄⁺）+3n（Fe³⁺）-2n（SO₄^2-）=0.12 mol
n（NH₄⁺）：n（Fe³⁺）：n（SO₄^2-）：n（OH^-）=2：6：4：12
黄钾铵铁矾的化学式为（NH₄）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂，
故答案为：（NH₄）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂；

点评 本题考查了物质制备、提纯、分离方法的综合应用，题目难度中等，本题要注意从实验目的和分离除杂原则考虑，如滤渣溶解时加硫酸而不加盐酸，因目的是回收（NH₄）₂SO₄，结合题设去看流程，不必对流程每一步都弄清楚，如：如何生成黄铁钒、如何生成硫酸铵等，试题有利于培养学生的分析、理解能力及化学实验能力．