Question

8．化学在物质制备和环保领域有着重要的运用．
Ⅰ高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途．湿法、干法制备高铁酸盐的原理如下表所示．

湿法	强碱性介质中，Fe（NO3）3与NaClO反应生成紫红色高铁酸盐溶液
干法	Fe2O3、KNO3、KOH混合加热共熔生成紫红色高铁酸盐和KNO2等产物

（1）工业上用湿法制备高铁酸钾（K₂FeO₄）的流程如图1所示：
①反应I的化学方程式为2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O．
②反应II的离子方程式为3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O．
③已知25℃时Fe（OH）₃的K_sp=4.0×10^-38，反应II后溶液中c（Fe³⁺）=4×10^-5mol•L^-1，则Fe³⁺完全沉淀时的pH=3．
（2）高铁酸钾是一种理想的水处理剂，其处理水的原理为高铁酸钾有强氧化性，能杀菌消毒，在水中被还原生成Fe（OH）₃胶体、有吸附性起净水作用．
（3）干法制备K₂FeO₄的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为3﹕1．
（4）高铁电池是正在研制中的可充电干电池，图2为该电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出的高铁电池的优点有放电时间长、工作电压稳定．

Answer 1

分析 本题是利用湿法、干法制备高铁酸盐的原理的探究，涉及反应原理、氧化还原反应分析、利用溶度积的计算等，其中制备高铁酸盐是利用NaClO在碱性条件下的强氧化性将Fe³⁺氧化成FeO₄^2-，NaClO可通过氯气溶于NaOH溶液得到，制得的高铁酸盐有强氧化性可做水的消毒剂，且其还原产物水解后得到的胶体能吸附悬浮物，可净化水，根据氧化还原的反应可得到制备K₂FeO₄的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为；
（1）①反应Ⅰ根据氯气的化学性质，可写出与氢氧化钠溶液反应的化学方程式；
②反应Ⅱ：根据目标产物可知，Fe³⁺要被溶液里的ClO^-在碱性条件下氧化成高铁酸盐，可结合氧化还原反应的理论写出此反应的离子方程式；
③25℃时Fe（OH）₃的K_sp=c（Fe³⁺）×c（OH^-）³，将c（Fe³⁺）=4×10^-5mol•L^-1代入可计算出c（OH^-），可得溶液的pH；
（2）高铁酸钾具有很强的氧化性，能杀菌消毒，在水中生成的Fe（OH）₃胶体，有吸附性；
（3）根据化合价的升降来判断，化合价升高的为还原剂，化合价降低的为氧化剂，并根据化学计量数来分析氧化剂和还原剂的比例；
（4）由图可知高铁电池比高能碱性电池放电时间长，工作电压稳定；

解答 解：（1）①反应Ⅰ为氯气溶解于氢氧化钠溶液，发生歧化反应，化学方程式为2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O，故答案为：2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O；
②反应Ⅱ为氧化还原反应，+3价铁被氧化成+6价铁，+1价的氯被氧化为-1价，反应的环境为碱性，化学方程式为3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，故答案为：3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；
③已知K_sp=c（Fe³⁺）×c（OH^-）³=4.0×10^-38，溶液中c（Fe³⁺）=4×10^-5mol•L^-1时，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{4.0×1{0}^{-38}}{4×1{0}^{-5}}}=1{0}^{-11}mol/L$，此时溶液中的c（H+）=$\frac{1×1{0}^{-14}}{1{0}^{-11}}$mol/L=10^-3mol/L，溶液的pH=3，故答案为：3；
（2）高铁酸钾具有很强的氧化性，能杀菌消毒，在水中被还原得到Fe³⁺，水解生成Fe（OH）₃胶体，有吸附性，故答案为：高铁酸钾有强氧化性，能杀菌消毒，在水中被还原生成Fe（OH）₃胶体、有吸附性起净水作用；
（3）干法制备K2FeO4的反应的方程式为：Fe₂O₃+3KNO₃+4KOH=2K₂FeO₄+3KNO₂+2H₂O，N元素化合价降低，是氧化剂，铁的化合价降低，是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为3﹕1，故答案为：3﹕1；
（4）由图可知高铁电池比高能碱性电池放电时间长，工作电压稳定，故答案为：放电时间长、工作电压稳定．

点评 实验方案设计与评价是高考不变的一个题型，每年高考必考，是热点题型、也是高考难点之一．本题主要考查了氧化还原反应和离子反应方程式的书写、化学平衡的移动、胶体的净水原理．重点是利用化合价的升价和化学计量数判断氧化剂和还原剂的比例和有关溶度积的计算．