Question

3．二氧化铈（CeO₂）是一种重要的稀土氧化物，平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末（含SiO₂、Fe₂O₃、CeO₂、FeO等物质）．某课题组以此粉末为原料，设计如图工艺流程对资源进行回收，得到纯净的CeO₂和硫酸亚铁铵晶体．

已知：CeO₂不溶于稀硫酸，也不溶于NaOH溶液．
（1）稀酸A的分子式是H₂SO₄；滤液1中加入铁粉的目的是把Fe³⁺还原为Fe²⁺．
（2）设计实验证明滤液1中含有Fe²⁺：用试管取少量酸性高锰酸溶液（或溴水），向试管中滴加过量滤液1若紫红（红棕）色褪色则滤液1中含有Fe²⁺[或取少许滤液1，滴加铁氰化钾溶液，有蓝色沉淀生成则证明滤液1中有Fe²⁺]．
（3）由滤渣1生成Ce³⁺的化学方程式为2CeO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Ce₂（SO₄）₃+O₂↑+4H₂O．
（4）由滤液2生成Ce（OH）₄的离子方程式为4Ce³⁺+O₂+12OH^-+2H₂O═4Ce（OH）₄↓．
（5）硫酸铁铵晶体[Fe₂（SO₄）₃•2（NH₄）₂SO₄•3H₂O]广泛用于水的净化处理，但其在去除酸性废水中的悬浮物时效率降低，其原因是存在水解反应Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，酸性废水中的H⁺抑制了Fe³⁺的水解（或水解平衡逆向移动），使其不能生成有吸附作用的Fe（OH）₃胶体．
（6）取上述流程中得到的Ce（OH）₄产品0.531g，加硫酸溶解后，用浓度为0．l000mol•L^-1FeSO₄标准溶液滴定至终点时（铈被还原为Ce³⁺ ），消耗25.00mL标准溶液．该产品中Ce（OH）₄的纯度的表达式为：$\frac{0.1×25×1{0}^{-3}×208}{0.531}×100%$（或0.98、98%）（不必计算出结果）．

Answer 1

分析 反应过程为：废玻璃粉末（含SiO₂、Fe₂O₃、CeO₂、FeO等物质）中加入稀硫酸，FeO转化为FeSO₄、Fe₂O₃转化Fe₂（SO₄）₃存在于滤液1中，滤渣1为CeO₂和SiO₂；
滤液1中加入稀硫酸和铁粉，被Fe₂（SO₄）₃还原为FeSO₄，溶液1为FeSO₄溶液，加入硫酸铵混合蒸发浓缩、常温晾干后得到硫酸亚铁铵晶体；
滤渣1中加入稀硫酸和H₂O₂，CeO₂转化为Ce³⁺存在于滤液2中，反应为2CeO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Ce₂（SO₄）₃+O₂↑+4H₂O，滤渣2为SiO₂；滤液2加入碱并通入氧气将Ce从+3氧化为+4后Ce³⁺转化为沉淀Ce（OH）₄，反应为：4Ce ³⁺+O₂+12OH^-+2H₂O═4Ce（OH）₄↓，加入分解Ce（OH）₄得到产品CeO₂；据此分析作答．

解答 解：（1）已知：CeO₂不溶于稀硫酸，废玻璃粉末（含SiO₂、Fe₂O₃、CeO₂、FeO等物质）中也不SiO₂溶于酸，加入稀硫酸可将CeO₂和SiO₂与Fe₂O₃、FeO分离，滤液1中加入铁粉的目的是把Fe³⁺还原为Fe²⁺；
故答案为：H₂SO₄； 把Fe³⁺还原为Fe²⁺；
（2）亚铁离子有还原性能使酸性高锰酸钾褪色，也与铁氰化钾生成蓝色沉淀，故证明滤液1中含有Fe²⁺方法为：用试管取少量酸性高锰酸溶液（或溴水），向试管中滴加过量滤液1若紫红（红棕）色褪色则滤液1中含有Fe²⁺[或取少许滤液1，滴加铁氰化钾溶液，有蓝色沉淀生成则证明滤液1中有Fe²⁺]；
故答案为：用试管取少量酸性高锰酸溶液（或溴水），向试管中滴加过量滤液1若紫红（红棕）色褪色则滤液1中含有Fe²⁺[或取少许滤液1，滴加铁氰化钾溶液，有蓝色沉淀生成则证明滤液1中有Fe²⁺]；
（3）滤渣1为CeO₂和SiO₂，加入稀硫酸和H₂O₂，CeO₂转化为Ce³⁺，则过氧化氢中氧元素化合价升高生成氧气，离子方程式为：2CeO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Ce₂（SO₄）₃+O₂↑+4H₂O；
故答案为：2CeO₂+H₂O₂+3H₂SO₄=Ce₂（SO₄）₃+O₂↑+4H₂O；
（4）滤液2为含有Ce ³⁺的溶液，加入碱并通入氧气将Ce从+3氧化为+4后Ce³⁺转化为沉淀Ce（OH）₄，离子方程式为：4Ce ³⁺+O₂+12OH^-+2H₂O═4Ce（OH）₄↓；
故答案为：4Ce ³⁺+O₂+12OH^-+2H₂O═4Ce（OH）₄↓；
（5）硫酸铁铵晶体[Fe₂（SO₄）₃•2（NH₄）₂SO₄•3H₂O]溶于水后，由于存在水解反应Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，酸性废水中的H⁺抑制了Fe³⁺的水解（或水解平衡逆向移动），使其不能生成有吸附作用的Fe（OH）₃胶体；
故答案为：存在水解反应Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，酸性废水中的H⁺抑制了Fe³⁺的水解（或水解平衡逆向移动），使其不能生成有吸附作用的Fe（OH）₃胶体；
（6）用0.1000mol/LFeSO₄溶液滴定至终点，铈被还原成Ce³⁺，则Fe²⁺被氧化为Fe³⁺，则
   Ce（OH）₄～Ce³⁺～FeSO₄
 所以n（Ce（OH）₄）=n（FeSO₄）=0.1×25×10^-3mol，m（Ce（OH）₄）=0.1×25×10^-3×208g，该产品中Ce（OH）₄的纯度的表达式为$\frac{0.1×25×1{0}^{-3}×208}{0.531}×100%$=98%；
故答案为：$\frac{0.1×25×1{0}^{-3}×208}{0.531}×100%$（或0.98、98%）．

点评 本题考查了物质的制备，涉及对工艺流程的理解、氧化还原反应、水解平衡的应用、物质纯度的计算等，理解工艺流程原理是解题的关键，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力，题目难度中等．