Question

16．一种以黄铁矿（主要含FeS₂）为原料制备磁性纳米四氧化三铁的工艺流程如下，其中煅烧后的烧渣含有（Fe₂O₃、SiO₂、FeO），回答下列问题；

（1）煅烧时的主要方程式为4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，FeS₂发生了氧化反应（填“氧化”或“还原”）；当有1molSO₂生成时，转移的电子数为5.5mol．
（2）尾气中的SO₂对环境有污染，一种电化学治污的装置如图1，通SO₂一侧的电极反应式为SO₂-2e+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．
（3）酸溶时需保持盐酸过量，其目的是抑制Fe²⁺和Fe³⁺水解以及提高浸出率．
（4）若不能产生新的杂质，在调节比例前检测发现n（Fe²⁺）/n（Fe³⁺）偏高，则加入的A是Cl₂（填化学式），若比例偏低，加入的A是Fe（填化学式）．
（5）写出沉淀发生的离子反应方程：Fe²⁺+2Fe³⁺+8NH₃•H₂O=Fe₃O₄↓+8NH₄⁺+4H₂O．
（6）沉淀步骤中维持n（Fe²⁺）/n（Fe³⁺）比例和控制一定的条件对得到高纯度的纳米磁性Fe₃O₄非常关键，根据Fe²⁺、Fe³⁺的性质和下边提供的数据，在实际生产中需要采取的措施是持续往体系通入氮气，控制温度在60℃和溶液的PH为9．

温度/℃	产品颜色
35	灰色
40	灰黑
60	黑色
65	红黑
80	黑褐

Answer 1

分析 （1）氧化还原反应中元素化合价升高的元素被氧化，对应的反应物为还原剂，反之为氧化剂，被还原，4FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂中，Fe、S元素的化合价升高，O元素的化合价降低，根据转移的电子数与二氧化硫的关系计算转移的电子数；
（2）装如图1中，通入二氧化硫的电极失电子发生氧化反应，为负极；
（3）Fe²⁺和Fe³⁺易水解，水解呈酸性，加入过量盐酸是抑制亚铁离子、铁离子的水解，酸溶还可以提高浸出率；
（4）氯气是强氧化剂，可以氧化亚铁离子；n（Fe²⁺）/n（Fe³⁺）偏高，通入氯气氧化亚铁离子，偏低加入铁粉还原铁离子；
（5）Fe²⁺和Fe³⁺与氨水反应生成沉淀，过滤洗涤得到四氧化三铁，所以沉淀为四氧化三铁，据此书写离子反应方程式；
（6）根据产品的颜色选择实际生产需控制的温度，根据图表磁化强度与PH的关系分析采取的措施，Fe²⁺具有还原性，Fe³⁺具有氧化性，需通入保护气防止分别被氧化、还原．

解答 解：（1）反应4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8SO₂，反应中氧气中氧元素化合价从0价变化为-2价；氧元素被还原，铁元素化合价从+2价变化为+3价，硫元素化合价从-1价变化为+4价，FeS₂作还原剂，硫元素和铁元素被氧化，4molFeS₂参加反应转移44mol电子，生成8molSO₂，当有1molSO₂生成时，转移的电子数为：$\frac{44}{8}$=5.5mol，
故答案为：5.5；
（2）装如图1中，该电极上二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，所以该电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为SO₂-2e+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺，
故答案为：SO₂-2e+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺；
（3）煅烧后的矿渣酸溶后含有Fe²⁺和Fe³⁺，Fe²⁺和Fe³⁺易水解，水解呈酸性，酸溶时需保持盐酸过量，能抑制亚铁离子、铁离子的水解，同时过量的酸溶还可以提高浸出率，
故答案为：抑制Fe²⁺和Fe³⁺水解以及提高浸出率；
（4）酸溶时加入盐酸，引入氯离子，在调节比例前检测发现n（Fe²⁺）/n（Fe³⁺）偏高，需通氯气氧化，氯气氧化亚铁离子为铁离子，发生的主要反应的离子方程式为：Cl₂+2Fe²⁺=2Cl^-+2Fe³⁺；若比例偏低，需将铁离子还原成亚铁离子，需加铁粉，反应为：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，
故答案为：Cl₂，Fe；
（5）根据题干信息，Fe²⁺和Fe³⁺与氨水反应生成沉淀，过滤洗涤得到四氧化三铁，所以沉淀为四氧化三铁，反应的离子方程式为：Fe²⁺+2Fe³⁺+8NH₃•H₂O=Fe₃O₄↓+8NH₄⁺+4H₂O，
故答案为：Fe²⁺+2Fe³⁺+8NH₃•H₂O=Fe₃O₄↓+8NH₄⁺+4H₂O；
（6）四氧化三铁俗名为磁性氧化铁，颜色为黑色，所以实际生产中需控制温度为60℃，从图2中数据可知，当PH=9时，产品磁化强度最高，所以控制溶液的H=9，Fe²⁺具有还原性，Fe³⁺具有氧化性，所以持续往体系通入氮气作保护气，
故答案为：持续往体系通入氮气，控制温度在60℃和溶液的PH为9．

点评 本题考查磁性纳米四氧化三铁实验制备方案设计，为高频考点，涉及盐类水解、氧化还原反应等知识点，熟悉图中信息及基本操作方法、明确反应原理及物质性质是解本题关键，题目难度中等．