Question

20．电池级草酸亚铁广泛用于新型电池材料等领域．利用制钛白粉的副产品硫酸亚铁（主要成分FeSO₄•7H₂O，含Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等杂质）生产电池级草酸亚铁的一种工艺流程如图1．
已知：①25℃时，草酸的电离平衡常数为：K_a1=5.9×10^-2，K_a2=6.4×10^-5．
②文献记载：草酸亚铁在中性或碱性环境中是不稳定的．
③几种难溶物的溶解度与pH的关系如图2所示．
回答下列问题：
（1）“除杂”步骤加入铁粉的作用有二：其一是还原Fe³⁺，其二是调节溶液的PH值；为除尽杂质，须控制pH至少5为宜，写出pH=3时除去杂质的反应离子方程式：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺．

（2）“转化”步骤中草酸与 Fe（OH）₂悬浊液的反应体系须控制条件．实验表明：酸度对产品纯度的影响如图3．随着pH的升高，导致产品纯度下降所发生的氧化还原反应方程式为4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂═4Fe（OH）₃；为保证产品纯度大于99.5%，反应体系必须保持较低的pH，但过高的酸度又会使产品纯度降低，其原因是溶液的PH值太小会导致氢氧化亚铁溶解．
（3）“过滤②”步骤所得的滤液中含有的阳离子有NH₄⁺、Fe³⁺、H⁺；此外，其中还含有一定量的H₂C₂O₄，若该滤液的pH=2，则其中c（C₂O₄^2- ）：c（H₂C₂O₄ ）=3.8×10^-2．
（4）在“洗涤”步骤中，确认沉淀已洗涤干净的依据是取少量最一次洗涤滤液于试管中，加入足量的氯化钡溶液，没有出现白色浑浊．

Answer 1

分析 副产品硫酸亚铁（主要成分FeSO₄•7H₂O，含Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等杂质），加水和铁屑，Fe与Fe³⁺反应生成FeSO₄，调节溶液的PH值为3左右时，TiO²⁺水解生成TiO₂•xH₂O，使铝离子水解生成氢氧化铝沉淀，过滤，滤渣为TiO₂•xH₂O、Fe、氢氧化铝，滤液中再加氨水生成氢氧化亚铁悬浊液，再加入草酸生成草酸亚铁沉淀，过滤得滤液为硫酸亚铁、硫酸铵等，滤渣为草酸亚铁，将草酸亚铁固体洗涤、干燥、粉碎即可得电池级草酸亚铁，
（1）样品中的杂质主要为Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等，加入铁粉可以还原铁离子，调节溶液的PH值使Al³⁺、TiO²⁺都水解产生沉淀而除去，据此答题；
（2）随着pH的升高，氢氧化亚铁容易被空气中氧气氧化为氢氧化铁，但溶液的PH值太小会导致氢氧化亚铁溶解，所以要保持合适的PH值；
（3）“过滤②”步骤所得的滤液为硫酸亚铁、硫酸铵等，据此判断阳离子，此外其中还含有一定量的H₂C₂O₄，存在平衡H₂C₂O₄?C₂O₄^2-+2H⁺，且K=K_a1•K_a2，据此计算c（C₂O₄^2- ）：c（H₂C₂O₄ ）；
（4）在“洗涤”步骤中，确认沉淀已洗涤干净可以根据洗涤液中是否含有硫酸根离子判断．

解答 解：副产品硫酸亚铁（主要成分FeSO₄•7H₂O，含Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等杂质），加水和铁屑，Fe与Fe³⁺反应生成FeSO₄，调节溶液的PH值为3左右时，TiO²⁺水解生成TiO₂•xH₂O，使铝离子水解生成氢氧化铝沉淀，过滤，滤渣为TiO₂•xH₂O、Fe、氢氧化铝，滤液中再加氨水生成氢氧化亚铁悬浊液，再加入草酸生成草酸亚铁沉淀，过滤得滤液为硫酸亚铁、硫酸铵等，滤渣为草酸亚铁，将草酸亚铁固体洗涤、干燥、粉碎即可得电池级草酸亚铁，
（1）样品中的杂质主要为Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等，加入铁粉可以还原铁离子，调节溶液的PH值，使Al³⁺、TiO²⁺都水解产生沉淀而除去，根据图可知，须控制pH至少5为宜，才能使Al³⁺、TiO²⁺都水解产生沉淀，pH=3时除去杂质的反应离子方程式为TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺，
故答案为：调节溶液的PH值；5；TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺；
（2）随着pH的升高，氢氧化亚铁容易被空气中氧气氧化为氢氧化铁，反应的离子方程式为4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂═4Fe（OH）₃，但溶液的PH值太小会导致氢氧化亚铁溶解，所以要保持合适的PH值，
故答案为：4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂═4Fe（OH）₃；溶液的PH值太小会导致氢氧化亚铁溶解；
（3）“过滤②”步骤所得的滤液为硫酸亚铁、硫酸铵等，所以溶液吕含有阳离子为NH₄⁺、Fe³⁺、H⁺，此外其中还含有一定量的H₂C₂O₄，存在平衡H₂C₂O₄?C₂O₄^2-+2H⁺，且K=K_a1•K_a2，当溶液的pH=2即c（H⁺）=10^-2时，根据K=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）•c（C{\;}_{2}O{\;}_{4}{\;}^{2-}）}{c（H{\;}_{2}C{\;}_{2}O{\;}_{4}）}$=K_a1•K_a2可知，c（C₂O₄^2-）：c（H₂C₂O₄）=$\frac{Ka{\;}_{1}•Ka{\;}_{2}}{{c}^{2}（{H}^{+}）}$=$\frac{5.9×10{\;}^{-2}×6.4×10{\;}^{-5}}{1{0}^{-4}}$=3.8×10^-2，
故答案为：NH₄⁺、Fe³⁺、H⁺；3.8×10^-2；
（4）在“洗涤”步骤中，确认沉淀已洗涤干净的方法是取少量最一次洗涤滤液于试管中，加入足量的氯化钡溶液，没有出现白色浑浊，则说明已经洗涤干净，
故答案为：取少量最一次洗涤滤液于试管中，加入足量的氯化钡溶液，没有出现白色浑浊．

点评 本题考查了流程分析判断满屋子性质的分析和反应实验的现象和步骤是解题关键，沉淀溶解平衡常数的运用、除杂的分析应用是解题关键，题目难度中等．