Question

8．高铁酸钾（K₂FeO₄）不仅是一种绿色高效多功能水处理剂，还是一种环保碱性电池的正极活性物质，应用前景十分广阔．已知干燥的高铁酸钾稳定，但含有少量水分的高铁酸钾热稳定性差．目前，国内外有关高铁酸钾的合成方法主要有：高温氧化法（干法）、次氯酸盐氧化法（湿法）和电解法．
（1）上述三种方法通常先制备Na₂FeO₄，再根据原理Na₂FeO₄（s）+2KOH=K₂FeO₄（s）+2NaOH在某低温条件下制得K₂FeO₄，说明此温度下Ksp（K₂FeO₄）＜Ksp（Na₂FeO₄）（填“＞”“=”或“＜”）
（2）干法是用Na₂O₂作为氧化剂，与FeSO₄在较高温度下发生反应：
2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑
若该反应生成氧气840mL（标准状况下），则反应转移的电子的物质的量为0.375mol．
（3）改进后的湿法可直接制备高铁酸钾，基本流程如图所示：

①反应II的离子方程式为2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；该反应一般控制在30℃以下的原因是防止生成的高铁酸钠发生分解，抑制K₂FeO₄与水的反应．
②洗涤粗品时选用无水乙醇而不用水的原因是减少K₂FeO₄的溶解损失．
③反应的温度、原料的浓度和配比对高铁酸钾的产率都有影响．图1为不同的温度下，不同质量浓度的Fe（NO₃）₃对K₂FeO₄生成率的影响；图2为一定温度下，Fe（NO₃）₃质量浓度最佳时，KClO浓度对K₂FeO₄的生成率的影响．则生产中最佳温度为26℃，此时KClO与Fe（NO₃）₃两种溶液的最佳质量浓度之比为5：6（填最简整数比）．

（4）电解法是以铁丝网为阳极电解NaOH溶液，然后在阳极液中加入50%的KOH溶液，充分反应后，过滤、用无水乙醇洗涤、干燥，即可制得K₂FeO₄．
①阳极的电极反应是Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O．
②电解过程中，维持电流强度为1A，电解15分钟后，理论上消耗铁0.26g．（已知F=96500C•mol^-1，结果保留2位有效数字）

Answer 1

分析 （1）相同温度下，溶度积大的物质向溶度积小的物质转化；
（2）反应2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑中，Fe元素化合价升高，FeSO₄为还原剂，反应中Na₂O₂的O元素化合价既升高又降低，则Na₂O₂既是氧化剂又是还原剂，结合元素化合价的变化计算转移电子的数目；
（3）根据流程，得到高铁酸钾，工业上常采用NaClO氧化法生产，原理为：向氢氧化钾中通入氯气，可以得到次氯酸钾溶液，调节pH，向其中加入硝酸铁，次氯酸钾可以将之氧化，3KClO+2Fe（NO₃）₃+10KOH=2K₂FeO₄↓+3KCl+6KNO₃+5H₂O，过滤，即可得到高铁酸钾，向其中加入氢氧化钾固体，可以得到高铁酸钾，用无水乙醇洗涤，干燥得到高铁酸钾．
①氯气与氢氧化钠反应产生强氧化剂次氯酸钠，硝酸铁水解产生氢氧化铁胶体，次氯酸钠将氢氧化铁氧化成高铁酸钠，据此写出氧化过程的离子方程式；已知高铁酸盐热稳定性差，在实际生产中一般控制反应温度30℃以下，其原因是防止生成的高铁酸钠发生分解；
②洗涤晶体表面的杂质离子，同时减少K₂FeO₄晶体的损失；
③选择K₂FeO₄的生成率最高的温度；根据图示求解Fe（NO₃）₃与NaClO两种溶液最佳质量浓度之比；
（4）①由题目信息可知，铁为阳极电解氢氧化钠溶液，生成FeO₄^2-，由元素守恒还生成水；
②根据电子转移计算铁的质量．

解答 解：（1）相同温度下，溶度积大的物质向溶度积小的物质转化，所以K_sp（K₂FeO₄）＜K_sp（Na₂FeO₄），
故答案为：＜；        
（2）反应2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑中，该反应中Fe元素化合价由+2价变为+6价、过氧化钠中O元素化合价由-1价变为0价和+2价，所以Na₂FeO₄和氧气为氧化产物，2 mol FeSO₄发生反应时，生成2molNa₂FeO₄，转移8mol电子，同时生成1molO₂，反应中共有10mol电子转移，若该反应生成氧气840mL（标准状况下），则反应转移的电子的物质的量为$\frac{840mL×1{0}^{-3}L/mL}{22.4L/mol}×10mol$=0.375mol，
故答案为：0.375；
（3）①氯气与氢氧化钾反应产生强氧化剂次氯酸钾，次氯酸钾将铁离子氧化成高铁酸钾，离子方程式为：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；已知高铁酸盐热稳定性差，在实际生产中一般控制反应温度30℃以下，其原因是防止生成的高铁酸钠发生分解，水解吸热，控制反应温度30℃以下也可抑制K₂FeO₄与水的反应，
故答案为：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O； 防止生成的高铁酸钠发生分解，抑制K₂FeO₄与水的反应；
②K₂FeO₄晶体溶于水，不溶于酒精，所以选用无水乙醇而不用水目的是洗涤晶体表面的杂质离子，同时减少K₂FeO₄晶体的损失，防止晶体溶解，影响产率；
故答案为：减少K₂FeO₄的溶解损失；
③由图2可知，温度在26℃时，K₂FeO₄的生成率最高，故工业生产中最佳温度为26℃，在该温度下生成高铁酸钾的产率最大，此时Fe（NO₃）₃与NaClO两种溶液最佳质量浓度之比为$\frac{275}{330}$=$\frac{5}{6}$，
故答案为：26；$\frac{5}{6}$；
（4）①由题目信息可知，铁为阳极电解氢氧化钠溶液，生成FeO₄^2-，阳极电极反应式为Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案为：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；
 ②若维持电流强度为1A，电池工作15分钟，通过电子为$\frac{1A×900s}{96500C/mol}$，则理论消耗铁为$\frac{1A×900s}{96500C/mol}$×$\frac{1}{6}$×56g/mol≈0.087g，
故答案为：0.087．

点评 本题考查考查高铁酸钾的制备，侧重考查阅读题目获取信息的能力、对工艺流程的理解与条件的选择控制，题目难度中等，需要学生具有扎实的基础知识与灵活运用知识解决问题的能力，解答本题时注意把握题给信息，学习中注重知识迁移能力的培养．