题目内容

6.高铁酸钾(K2FeO4)是一种新型、高效、多功能水处理剂,且不会造成二次污染.已知高铁酸盐在低温碱性环境中稳定,易溶于水,难溶于无水乙醇等有机溶剂.
常见高铁酸钾的制备方法如下:
制备方法具体内容
干法Fe2O3、KNO3、KOH混合加热共熔生成紫红色高铁酸钾和KNO2等产物
湿法强碱性介质中,Fe(NO3)3与KClO反应生成紫红色高铁酸钾溶液
电解法电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4
(1)干法制备反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为:3:1.
(2)某湿法制备高铁酸钾的基本流程及步骤如下:

①控制反应温度为25℃,搅拌1.5h,经氧化等过程溶液变为紫红色,该反应的离子方程式为3ClO-+2Fe3++10OH-═2FeO42-+3Cl-+5H2O.
②在紫红色溶液中加入饱和KOH溶液,析出紫黑色晶体,过滤,得到K2FeO4粗产品.沉淀过程中加入饱和KOH溶液得到晶体的原因是该温度下高铁酸钾的溶解度比高铁酸钠的溶解度小.
③K2FeO4粗产品含有Fe(OH)3、KCl等杂质,用重结晶方法进行分离提纯.其提纯步骤为:将一定量的K2FeO4粗产品溶于冷的3mol/LKOH溶液中,过滤,将滤液置于冰水浴中,向滤液中加入饱和KOH溶液,搅拌、静置、过滤,用乙醇洗涤2~3次,在真空干燥箱中干燥.
④若以FeCl3 代替Fe(NO3)3作铁源,K2FeO4的产率和纯度都会降低.一个原因是在反应温度和强碱环境下NaCl的溶解度比NaNO3大,使得NaCl结晶去除率较低;另一个原因是Cl-被FeO42-氧化,消耗产品使产率降低.
(3)工业上还可用通过电解浓NaOH溶液制备Na2FeO4,其工作原理如下图所示:阳极的电极反应为Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O;其中可循环使用的物质的电子式是.

(4)已知25℃时,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38、Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20,向该温度下含有Fe3+、Cu2+浓度均为0.01mol/L的溶液中,滴加浓NaOH溶液,当溶液pH=10时,溶液中c(Cu2+):c(Fe3+)=5.5×1013:1.

分析 (1)氧化剂为KNO3,被还原生成KNO2,还原剂为Fe2O3,被氧化生成K2FeO4,根据电子转移守恒计算;
(2)硝酸铁晶体在碱性条件下被次氯酸钠氧化生成Na2FeO4,过滤除去杂质NaCl、硝酸钠,加入饱和KOH溶液后,将Na2FeO4转化为溶解度更小的K2FeO4,反应方程式为Na2FeO4+2KOH=K2FeO4+2NaOH,冷却结晶、过滤,洗去高铁酸钾晶体表面的KOH和其他杂质,得到纯产品高铁酸钾.
①反应方程式为:2Fe(NO3)3+3NaClO+10NaOH=2Na2FeO4+6NaNO3+3NaCl+5H2O;
②Na2FeO4转化为溶解度更小的K2FeO4而析出;
③由操作过程可知利用重结晶进行提纯,溶解后过滤除去氢氧化铁,加入氢氧化钾析出高铁酸钾,用乙醇洗涤,洗去可溶性杂化,并减少因溶解导致的损失;
④FeO42-具有强氧化性,可以氧化Cl-;
(3)阳极是Fe失去失去电子,碱性条件下生成FeO42-;
阴极室得到A溶液为NaOH溶液,可以循环利用;
(4)c(Cu2+)=$\frac{Ksp[Cu(OH)_{2}]}{{c}^{2}(O{H}^{-})}$,c(Fe3+)=$\frac{Ksp[Fe(OH)_{3}]}{{c}^{3}(O{H}^{-})}$,联立计算.

解答 解:(1)氧化剂为KNO3,被还原生成KNO2,还原剂为Fe2O3,被氧化生成K2FeO4,根据电子转移守恒,则:(5-3)×n(KNO3)=2×n(Fe2O3)×(6-3),可得:n(KNO3):n(Fe2O3)=3:1,
故答案为:3:1;
(2)硝酸铁晶体在碱性条件下被次氯酸钠氧化生成Na2FeO4,过滤除去杂质NaCl、硝酸钠,加入饱和KOH溶液后,将Na2FeO4转化为溶解度更小的K2FeO4,反应方程式为Na2FeO4+2KOH=K2FeO4+2NaOH,冷却结晶、过滤,洗去高铁酸钾晶体表面的KOH和其他杂质,得到纯产品高铁酸钾.
①反应方程式为:2Fe(NO3)3+3NaClO+10NaOH=2Na2FeO4+6NaNO3+3NaCl+5H2O,反应离子方程式为:3ClO-+2Fe3++10OH-═2FeO42-+3Cl-+5H2O,
故答案为:3ClO-+2Fe3++10OH-═2FeO42-+3Cl-+5H2O;
②该温度下高铁酸钾的溶解度比高铁酸钠的溶解度小,加入饱和KOH溶液可以增大K+的浓度,减小高铁酸钾的溶解,促进高铁酸钾晶体析出,
故答案为:该温度下高铁酸钾的溶解度比高铁酸钠的溶解度小;
③由操作过程可知利用重结晶进行提纯,溶解后过滤除去氢氧化铁,加入氢氧化钾析出高铁酸钾,用乙醇洗涤,洗去可溶性杂化,并减少因溶解导致的损失,
故答案为:重结晶;过滤;乙醇;
④FeO42-具有强氧化性,Cl-被FeO42-氧化,消耗产品使产率降低,
故答案为:Cl-被FeO42-氧化,消耗产品使产率降低;
(3)阳极是Fe失去失去电子,碱性条件下生成FeO42-,阳极电极反应式为:Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O,
阴极室得到A溶液为NaOH溶液,可以循环利用,NaOH的电子式为:,
故答案为:Fe-6e-+8OH-=FeO42-+4H2O;;
(4)溶液中c(OH-)=10-4 mol/L,c(Cu2+)=$\frac{Ksp[Cu(OH)_{2}]}{{c}^{2}(O{H}^{-})}$,c(Fe3+)=$\frac{Ksp[Fe(OH)_{3}]}{{c}^{3}(O{H}^{-})}$,可得溶液中c(Cu2+):c(Fe3+)=$\frac{2.2×1{0}^{-20}}{(1{0}^{-4})^{2}}$:$\frac{4×1{0}^{-38}}{(1{0}^{-4})^{3}}$=5.5×1013:1,
故答案为:5.5×1013:1.

点评 本题考查氧化还原反应、物质准备工艺流程、电解原理、溶度积有关计算等,是对学生综合能力的考查,需要学生具备扎实的基础.

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