Question

13．碱式硫酸铁是一种新型高效絮凝剂，常用于污水处理，在医疗上也可用于治疗消化性溃疡出血．工业上利用废铁屑（含少量氧化铝）生产碱式硫酸铁的工艺流程如下所示：

部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如表所示：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Al（OH）3
开始沉淀	2.3	7.5	3.4
完全沉淀	3.2	9.7	4.4

请回答下列问题：
（1）加入少量NaHCO₃的目的是调节溶液的pH，除去Al³⁺，①pH的范围4.4-7.5
②写出可能发生的离子方程式：Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑
（2）在实际生产中，反应Ⅱ中常同时通入O₂，以减少NaNO₂的用量，O₂与NaNO₂在反应中均作氧化剂；若参与反应的O₂有11.2L（标准状况），则相当于节约NaNO₂的物质的量为2mol

（3）碱式硫酸铁溶于水后产生的Fe（OH）²⁺可部分水解生成Fe₂（OH）₄²⁺，该水解反应的离子方程式为2Fe（OH）²⁺+2H₂O?Fe₂（OH）₄²⁺+2H⁺
（4）现以CO、O₂、熔融盐Na₂CO₃组成的燃料电池，采用电解法制备高铁酸盐Na₂FeO₄的装置如图所示，其中Y为CO₂．
写出石墨I电极上发生反应的电极反应式CO+CO₃^2--2e-=2CO₂
写出电解池中生成FeO₄^2-的电极反应式为Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．

Answer 1

分析 废铁屑中含少量氧化铝、氧化铁等，将过量废铁屑加入稀硫酸中，发生反应 Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，然后反应I中加入NaHCO₃并搅拌，调节溶液的pH，发生反应Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，所以滤渣中成分是Al（OH）₃，过滤得到硫酸亚铁，向硫酸亚铁溶液中加入稀硫酸和NaNO₂，酸性条件下，NaNO₂和FeSO₄发生氧化还原反应生成铁离子、NO，将溶液蒸发浓缩、过滤得到碱式硫酸铁，
（1）①加入少量NaHCO₃的目的是调节pH，除去铝离子，根据氢氧化物沉淀需要的pH判断；
②碳酸氢根离子和铝离子发生双水解生成氢氧化铝沉淀和二氧化碳；
（2）依据流程分析判断，反应Ⅱ是氧化亚铁离子便于铁离子沉淀分离，流程产物分析可知O₂与NaNO₂在反应中做氧化剂；依据电子守恒计算；
（3）根据反应物和生成物判断离子方程式；Fe（OH）²⁺水解显酸性，据电荷守恒可写出该反应的离子方程式；
（4）石墨电极Ⅰ是原电池的负极，一氧化碳失去电子生成二氧化碳，滤液碳酸根离子配平电荷守恒；电解池中铁做阳极在氢氧化钠溶液中失电子生成Na₂FeO₄ ；

解答 解：（1）①加入少量NaHCO₃的目的是调节pH，根据氢氧化物沉淀需要的pH知，在pH在4.4-7.5之间将铝离子转化为Al（OH）₃沉淀，而亚铁离子不能生成沉淀，
故答案为：4.4-7.5；
②可能发生的离子方程式Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案为：Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（2）酸性条件下，亚硝酸钠具有氧化性，能将亚铁离子氧化为铁离子，自身被还原生成NO，所以反应Ⅱ中加入NaNO₂的目的是氧化Fe²⁺，发生反应的离子方程式为 2H⁺+Fe²⁺+NO₂^-=Fe³⁺+NO↑+H₂O，氧气的作用与亚硝酸钠相同，1mol氧气得4mol电子，1mol亚硝酸根离子的1mol电子，有$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol氧气反应转移2mol电子，相对于2mol亚硝酸钠反应，
故答案为：氧化剂；2mol；
（3）碱式硫酸铁溶于水后产生的Fe（OH）²⁺离子，Fe（OH）²⁺可部分水解生成Fe₂（OH）₄²⁺聚合离子，该水解反应的离子方程式为 2Fe（OH）²⁺+2H₂O?Fe₂（OH）₄²⁺+2H⁺，
故答案为：2Fe（OH）²⁺+2H₂O?Fe₂（OH）₄²⁺+2H⁺；
（4）现以CO、O₂、熔融盐Na₂CO₃组成的燃料电池，采用电解法制备高铁酸盐Na₂FeO₄的装置如图所示，其中Y为CO₂，
石墨电极Ⅰ是原电池的负极，一氧化碳失去电子生成二氧化碳，滤液碳酸根离子配平电荷守恒，CO+CO₃^2--2e-=2CO₂，
电解池中铁做阳极在氢氧化钠溶液中失电子生成Na₂FeO₄ ，Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案为：CO+CO₃^2--2e-=2CO₂；Fe-6e^-+8OH^-=FeO₄^2-+4H₂O；

点评 本题考查物质的分离和提纯、原电池、电解池原理，侧重考查学生获取信息及利用信息能力、分析能力、实验操作能力，注意题给信息的灵活运用，知道常见离子的检验方法及现象，题目难度中等．