Question

7．活性Fe₃O₄为黑色固体，有磁性，其不溶于水、碱和酒精、乙醚等有机溶剂中，Fe₃O₄在潮湿的空气中或高温下易被O₂氧化．工业上利用锈蚀废铁为原料，利用共沉淀法制备活性Fe₃O₄（或写为FeO•Fe₂O₃）的流程如图：

（1）在制备过程中将块状固体原料粉碎磨成粉末，作用是有利于加快反应池中反应速率．
（2）设计合理的实验方案证明Fe₃O₄与盐酸反应的产物中含有Fe²⁺、Fe³⁺，简述实验操作步骤和实验现象取2份待检液，其中一份待检液滴入KSCN溶液，若显示血红色则含有Fe³⁺，再向另一份待检液滴入酸性高锰酸钾溶液，若紫红色褪去则含有Fe²⁺．
（可供选择的试剂：KSCN溶液、还原铁粉、氯水、酸性高锰酸钾溶液）
（3）假如在反应池中几乎没有气体产生，在合成池里所有铁元素转化为Fe₃O₄，则根据相关反应可知，配料中心很可能使混合物中的Fe₂O₃与Fe物质的量之比接近于4：1．
（4）在一次制备Fe₃O₄的实验中，由于配料中心反应物比例控制不当，获得了另一种产品Fe_xO_y．取一定量该产品溶于足量盐酸中，还需通入标准状况下224mLCl₂才能把溶液中的Fe²⁺全部氧化为Fe³⁺，然后把所得溶液滴加足量NaOH溶液，将沉淀过滤、洗涤、蒸干，灼烧至恒重，得8g固体．计算该产品的化学式．（请写出计算过程）

Answer 1

分析 利用锈蚀废铁为原料，利用共沉淀法制备活性Fe₃O₄：锈蚀废铁粉碎，增大固体的表面积，目的是增加反应速率，三氧化二铁与铁单质在酸性条件下反应生成亚铁离子，离子方程式为Fe₂O₃+Fe+6H⁺═3Fe²⁺+3H₂O，加入NaOH溶液在合成池中生成活性Fe₃O₄．
（1）固体的表面积越大，接触面积越大，反应速率越快；
（2）三价铁遇到硫氰酸根离子显血红色，二价铁离子具有还原性能够被氧化剂氧化成三价铁离子，可用自身指示剂的高锰酸钾进行检验亚铁离子；
（3）没有气体产生，说明铁刚好使三价铁转化为二价铁，由于在1molFe₃O₄中可以认为有二价的氧化亚铁和三价的三氧化铁各1mol，设Fe为Xmol，Fe₂O₃为ymol，生成1molFe₃O₄，根据Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺解题；
（4）根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算氯气的物质的量，氯气氧化Fe²⁺为Fe³⁺，根据电子转移守恒计算Fe²⁺的物质的量．据此确定+2价铁的物质的量．最后所得溶液为氯化铁溶液，蒸干溶液，灼烧至恒重，得8g固体为Fe₂O₃，根据n=$\frac{m}{M}$计算Fe₂O₃的物质的量，利用铁元素守恒计算+3价铁的物质的量，据此确定该产品化学式．

解答 解：（1）接触面积越大，反应速率越快，所以在工业生产中，将块状固体磨成粉末，增大固体的表面积，目的是增加反应速率，
故答案为：有利于加快反应池中反应速率；
（2）Fe元素有+2价、+3价，三价铁遇到硫氰酸根离子显红色，取2份待检液，其中一份待检液滴入KSCN溶液，若显示血红色则含有Fe³⁺，二价铁离子具有还原性能够被氧化剂氧化成三价铁离子，高锰酸钾溶液为紫红色溶液，被还原剂还原后显无色，所以，再向另一份待检液滴入酸性高锰酸钾溶液，若紫红色褪去则含有Fe²⁺，
故答案为：取2份待检液，其中一份待检液滴入KSCN溶液，若显示血红色则含有Fe³⁺，再向另一份待检液滴入酸性高锰酸钾溶液，若紫红色褪去则含有Fe²⁺；
（3）没有气体产生，说明铁刚好使三价铁转化为二价铁，由于在1molFe₃O₄中可以认为有二价的氧化亚铁和三价的三氧化铁各1mol，
设Fe为Xmol，Fe₂O₃为ymol，生成1molFe₃O₄，根据Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺则有：
X+2Y=3     3X=1
解得：X=$\frac{1}{3}$；Y=$\frac{4}{3}$，故铁和三氧化铁的物质的量为1：4，
故答案为：4：1；    
（4）氯气的物质的量为$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol，氯气氧化Fe²⁺为Fe³⁺，根据电子转移守恒可知Fe²⁺的物质的量为$\frac{0.01mol×2}{1}$=0.02mol，故氧化物中+2价铁的物质的量为0.02mol，最后所得为氯化铁溶液，蒸干溶液，灼烧至恒重，得8g固体为Fe₂O₃，Fe₂O₃的物质的量为$\frac{8g}{160g/mol}$=0.05mol，利用铁元素守恒可知氧化物中+3价铁的物质的量为0.05mol×2-0.02mol=0.08mol，故FeO与Fe₂O₃的物质的量之比为0.02mol：$\frac{0.08mol}{2}$=1：2，该产品化学式为Fe₅O₇或FeO•2Fe₂O₃，
故答案为：Fe₅O₇或FeO•2Fe₂O₃．

点评 本题以共沉淀法制备活性Fe₃O₄为载体考查物质的分离、提纯和除杂等实验问题，侧重考查学生分析问题设计实验的能力，题目难度中等，注意实验基本操作方法，把握实验原理．