Question

18．重铬酸钠（Na₂Cr₂O₇•2H₂O）俗称红矾钠，在工业上有广泛的用途．我国目前主要是以铬铁矿（主要成份为FeO•Cr₂O₃，还含有Al₂O₃、MgO、SiO₂等杂质）为主要原料进行生产，其主要工艺流程如下：

①中涉及的主要反应有：
主反应：4FeO•Cr₂O₃+8Na₂CO₃+7O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ 8Na₂CrO₄+2Fe₂O₃+8CO₂
副反应：SiO₂+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ Na₂SiO₃+CO₂↑、Al₂O₃+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2NaAlO₂+CO₂↑
部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH：

沉淀物	Al（OH）3	Fe（OH）3	Mg（OH）2	Cr（OH）3
完全沉淀时溶液pH	4.7	3.7	11.2	5.6

试回答下列问题：
（1）“①”中反应是在回转窑中进行，反应时需不断搅拌，其作用是使反应物接触更充分，加快反应速率．
（2）“③”中调节pH至4.7，目的是除去溶液中的AlO₂^-、SiO₃^2-．
（3）“⑤”中加硫酸酸化的目的是使CrO₄^2-转化为Cr₂O₇^2-，请写出该平衡转化的离子方程式：2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O．
（4）“⑦”中采用冷却结晶的方法析出红矾钠，依据是红矾钠的溶解度随温度的降低而减小．
（5）制取红矾钠后的废水中还含有少量的CrO₄^2-，根据有关标准，含CrO₄^2-的废水要经化学处理，使其浓度降至5.0×10^-7mol•L^-1以下才能排放．含CrO₄^2-的废水处理通常有以下两种方法．
①沉淀法：加入可溶性钡盐生成BaCrO₄沉淀[K_sp（BaCrO₄）=1.2×10^-10]，再加入可溶性硫酸盐处理多余的Ba²⁺．加入可溶性钡盐后的废水中Ba²⁺的浓度应不小于2.4×10^-4mol•L^-1，后续废水处理方能达到排放标准．
②还原法：CrO₄^2-$\underset{\stackrel{绿矾}{→}}{{H}^{+}}$Cr³⁺$\stackrel{石灰水}{→}$Cr（OH）₃．绿矾还原CrO₄^2-的离子方程式为：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O．
用该方法处理10m³ CrO₄^2-的物质的量浓度为1.5×10^-3 mol•L^-1的废水，至少需要绿矾（FeSO₄•7H₂O，相对分子质量为278）的质量是12.51Kg．

Answer 1

分析 以铬铁矿为原料制备重铬酸钠，铬铁矿经煅烧、水浸之后除去生成的氧化铁，调节pH至4.7，除去溶液中的AlO₂^-、SiO₃^2-；经酸化、蒸发结晶后后可生成重铬酸钠，
（1）固体反应物在搅拌时可充分接触而反应；
（2）氧化铁不溶于水，铬铁矿经煅烧、水浸之后除去生成的氧化铁，副反应中生成Na₂SiO₃、NaAlO₂等杂质；
（3）CrO₄^2-转化为Cr₂O₇^2-，CrO₄^2-在酸性条件下与H⁺离子反应生成Cr₂O₇^2-；
（4）冷却结晶的方法是冷却热饱和溶液，溶质溶解度减小析出晶体；
（5）①根据沉淀溶解平衡CrO₄^2-+Ba²⁺?BaCrO₄及K_sp（BaCrO₄）=C（CrO₄^2-）×C（Ba²⁺）=1.2×10^-10，可得C（Ba²⁺）；
②根据电子守恒列关系式：CrO₄^2-～3FeSO₄•7H₂O，可得FeSO₄•7H₂O的物质的量进而求质量．

解答 解：以铬铁矿为原料制备重铬酸钠，铬铁矿经煅烧、水浸之后除去生成的氧化铁，调节pH至4.7，除去溶液中的AlO₂^-、SiO₃^2-；经酸化、蒸发结晶后后可生成重铬酸钠，
（1）固体反应物在搅拌时可充分接触而加快反应速率，故答案为：使反应物接触更充分，加快反应速率；
（2）氧化铁不溶于水，铬铁矿经煅烧、水浸之后除去生成的氧化铁，副反应中生成Na₂SiO₃、NaAlO₂等杂质，调节pH至4.7，可生成H₂SiO₃、Al（OH）₃沉淀过滤除去，
故答案为：除去溶液中的AlO₂^-、SiO₃^2-；
（3）CrO₄^2-转化为Cr₂O₇^2-，CrO₄^2-在酸性条件下与H⁺离子反应生成Cr₂O₇^2-，该反应为可逆反应，反应的离子方程式为2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O，
故答案为：2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O；
（4）冷却结晶的方法是冷却热饱和溶液，溶质溶解度减小析出晶体，“⑦”中采用冷却结晶的方法析出红矾钠，红矾钠的溶解度随温度的降低而减小；
故答案为：红矾钠的溶解度随温度的降低而减小；
（5）①CrO₄^2-+Ba²⁺?BaCrO₄
5.0×10^-7mol•L^-1  C（Ba²⁺）
K_sp（BaCrO₄）=C（CrO₄^2-）×C（Ba²⁺）=5.0×10^-7×C（Ba²⁺）=1.2×10^-10，
C（Ba²⁺）=2.4×10^-4mol/L，所以Ba²⁺的浓度应不小于2.4×10^-4mol/L，
故答案为2.4×10^-4；
②绿矾还原CrO₄^2-的离子方程式为Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O，CrO₄^2-$→_{H+}^{绿矾}$Cr³⁺，CrO₄^2-中的Cr化合价由+6价降为+3价，FeSO₄•7H₂O中铁的化合价由+3价降为+2价，
则有：CrO₄^2-～～～～～～3FeSO₄•7H₂O
        1                   3
    10^4_L×1.5×10^-3 mol•L^-1   45mol
所以FeSO₄•7H₂O的质量为：45mol×278g/mol=12510g=12.51kg，
故答案为：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O；12.51．

点评 本题考查了流程分析应用、沉淀溶解平衡、氧化还原反应的计算，作为反应流程题，本题思路比较清晰，题目难度中等，答题时注意对基础知识的理解和灵活运用．