Question

12．以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO₂、PbSO₄及炭黑等）为原料，制备粗铅，实现铅的再生利用．其工作流程如1所示：

已知：K_sp（PbSO₄）=1.6×10^-5，K_sp（PbCO₃）=3.3×10^-14．
（1）过程I中，在Fe²⁺催化下，Pb和PbO₂反应生成PbSO₄的化学方程式是Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2PbSO₄+2H₂O．
（2）过程I中，Fe²⁺催化过程可表示为：
i．2Fe²⁺+PbO₂+4H⁺+SO₄^2-═2Fe³⁺+PbSO₄+2H₂O
ii．…．
①写出ii的离子方程式：2Fe³⁺+Pb+SO₄^2-=PbSO₄+2Fe²⁺；
②下列实验方案可证实上述催化过程．将实验方案补充完整．

编号	实验操作	现象
步骤1	向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液	溶液几乎无色
步骤2	取步骤1中反应液少量，加入少量PbO2，充分反应	溶液变红
步骤3	取步骤2中反应液少量，加入足量Pb，充分反应	红色褪去

（3）过程Ⅱ的目的是脱硫．若滤液2中c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=0.1mol•L^-1，则PbCO₃中否（填“是”或“否”）混有PbSO₄．
（4）钠离子交换膜固相电解法是从含铅废料中提取铅的一种新工艺，其装置如图2所示．将含铅废料投入阴极室，含铅废料中的PbSO₄与NaOH溶液发生反应：PbSO₄+3OH^-═HPbO₂^-+SO₄^2-+H₂O．
①b与外接电源的负极相连；
②电解过程中，PbO₂、PbO、HPbO₂^-在阴极放电，其中PbO₂放电的电极反应式为PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
③与传统无膜固相电解法相比，使用钠离子交换膜可以提高Pb元素的利用率，原因是阻止HPbO₂^-进入阳极室被氧化．

Answer 1

分析 以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO₂、PbSO₄及炭黑等）为原料，制备粗铅，含铅废料加入硫酸亚铁、稀硫酸加热反应过滤得到PbSO₄粗品，加入碳酸钠溶液过滤得到PbCO₃粗品，向其中加入焦炭在850℃生成铅，
（1）根据题给化学工艺流程知，过程Ⅰ中，在Fe²⁺催化下，Pb、PbO₂和H₂SO₄反应生成PbSO₄和水；
（2）①催化剂通过参加反应，改变反应历程，降低反应的活化能，加快化学反应速率，而本身的质量和化学性质反应前后保持不变．根据题给信息知反应i中Fe²⁺被PbO₂氧化为Fe³⁺，则反应ii中Fe³⁺被Pb还原为Fe²⁺，据此书写离子方程式；
②KSCN溶液与铁离子显红色：向酸化的亚铁离子中加入PbO₂证明发生反应i，则再加入Pb证明发生反应ii，实验方案为取红色溶液少量，加入过量Pb，充分反应后，红色褪去；
（3）因为Ksp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14，c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=0.1mol•L^-1，PbCO₃中：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（PbC{O}_{3}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=3.3×10^-13，；PbSO₄中：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=3.3×10^-13×1.6=5.28×10^-13＜Ksp（PbSO₄），说明PbSO₄在母液中未饱和，即PbCO₃中不混有PbSO₄；
（4）①根据钠离子向阴极移动知，a为阴极，与电源负极相连；
②电解过程中，PbO₂在阴极得电子，电极反应式为PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
③钠离子交换膜只允许钠离子通过，阻止HPbO₂^-进入阳极室被氧化，从而提高Pb元素的利用率．

解答 解：（1）根据题给化学工艺流程知，过程Ⅰ中，在催化下，Pb、PbO₂和H₂SO₄反应生成PbSO₄和水，化学方程式为：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2PbSO₄+2H₂O；
故答案为：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2PbSO₄+2H₂O；
（2）①催化剂通过参加反应，改变反应历程，降低反应的活化能，加快化学反应速率，而本身的质量和化学性质反应前后保持不变．根据题给信息知反应i中Fe²⁺被PbO₂氧化为Fe³⁺，则反应ii中Fe³⁺被Pb还原为Fe²⁺，离子方程式为：2Fe³⁺+Pb+SO₄^2-═PbSO₄+2Fe²⁺；
故答案为：2Fe³⁺+Pb+SO₄^2-=PbSO₄+2Fe²⁺；
②步骤1：向酸化的FeSO₄溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，
步骤2：取步骤1中反应液少量，再加入少量PbO₂，溶液变红，亚铁离子被氧化为铁离子，
步骤3：取步骤2中红色溶液少量，溶液中存在平衡，Fe³⁺+3SCN^-=Fe（SCN）₃，加入过量Pb，和平衡状态下铁离子反应生成亚铁离子，平衡逆向进行充分反应后，红色褪去；
故答案为：

编号	实验操作	现象
步骤2	取步骤1中反应液少量，加入少量PbO2，充分反应	溶液变红
步骤3	取步骤2中反应液少量，加入足量Pb，充分反应	红色褪去

（3）因为Ksp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14，c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=0.1mol•L^-1，PbCO₃中：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（PbC{O}_{3}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{3.3×1{0}^{-14}}{0.1}$=3.3×10^-13；PbSO₄中：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=3.3×10^-13×1.6=5.28×10^-13＜Ksp（PbSO₄），说明PbSO₄在母液中未饱和，即PbCO₃中不混有PbSO₄；
故答案为：否；
（4）①根据钠离子向阴极移动知，a为阴极，与电源负极相连；
故答案为：负；
②电解过程中，PbO₂在阴极得电子，电极反应式为PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
故答案为：PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
③钠离子交换膜只允许钠离子通过，阻止HPbO₂^-进入阳极室被氧化，从而提高Pb元素的利用率；
故答案为：阻止HPbO₂^-进入阳极室被氧化．

点评 本题考查未知反应书写、溶度积、电化学及基础实验问题，是高考常见题型，向考生展示运用化学知识解决生产生活中的实际问题，题目难度较大．