Question

3．碱式硫酸铁[Fe（OH）SO₄]是一种用于污水处理的新型高效絮凝剂．
工业上利用废铁屑（含少量氧化铝、氧化铁等）生产碱式硫酸铁的工艺流程如图：

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	9.0	4.4

已知部分阳离子以氧氧化物形式沉淀的溶液的pH见表．回答下列问题：
（1）碱式硫酸铁能够净水的原因是能水解生成具有吸附能力较强的胶体．
（2）加入少量NaHCO₃的目的是调节溶液的pH，使溶液中的Al³⁺沉淀．
（3）假设沉淀完全溶解时溶液中金属离子的浓度为1.0×10^-5mol•L^-1，试估算K_sp[Fe（OH）₂]=10^-15．
（4）反应Ⅱ中加入NaNO₂的目的是氧化亚铁离子，该反应的离子方程式为2H⁺+Fe²⁺+NO₃^-=Fe³⁺+NO↑+H₂O
（5）实际生产中，反应Ⅱ常同时通入O₂以减少NaNO₂的用量，若参与反应的O₂体积为11.2L（标准状况），则相当于节约NaNO₂的物质的量为2mol．
（6）在医药上常用硫酸亚铁与硫酸、硝酸的混合液反应制备碱式硫酸铁．根据我国质量标准，产品中不得含有Fe²⁺及NO₃^-，某同学根据提供的试剂设计实验检验所得产品中不含Fe²⁺，含有SO₄^2-，可供选择的试剂如下：
A．新制氯水                  B.0．l mol•L ^-1KSCN溶液
C.10%NaOH溶液                D.20%HNO₃溶液
E.0.05mol•L^-1酸性KMnO₄溶液    F.0.1mol•L^-1BaCl₂溶液
请你帮助该同学完成实验，将相关项目填入表中：

实验操作	现象	结论
取适量产品于洁净烧杯中，加入适量蒸馏水，充分搅拌，静置，滤去沉淀	得红棕色溶液	溶液中含有Fe3+
取少量溶液于试管中，滴加0.05mol/L的酸性高锰酸钾溶液	溶液不褪色	溶液中不含Fe2+
取少量溶液于试管中，滴加0.1mol/L的氯化钡溶液，再加入20%稀硝酸溶液	有白色沉淀	溶液中含有SO${\;}_{4}^{2-}$

（7）为测定含Fe²⁺和Fe³⁺溶液中铁元素的总含量，实验操作如下：准确量取20.00mL溶液于带塞锥形瓶中，加入足量H₂O₂，调节pH＜3，加热除去过量H₂O₂；加入过量KI充分反应后，再用0.1000mol•L^-1Na₂S₂O₃标准溶液滴定至终点，消耗标准溶液20.00mL．已知：
2Fe²⁺+2I^-═2Fe²⁺+I₂  I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-
则溶液中铁元素的总含量为5.6g•L^-1．

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）铁元素水解生成氢氧化铁胶体，胶体具有吸附性；
（2）向混合溶液中加入少量NaHCO₃，沉淀Al³⁺而不沉淀Fe²⁺，反应方程式为Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（3）亚铁离子完全沉淀时溶液的pH=9.0，则溶液中c（OH^-）=10^-5 mol/L，K_sp[Fe（OH）₂]=c（Fe²⁺）．c（OH^-）²；
（4）酸性条件下，亚硝酸根离子和亚铁离子发生氧化还原反应生成铁离子和NO；
（5）根据转移电子守恒计算；
（6）亚铁离子能被酸性高锰酸钾溶液氧化而使酸性高锰酸钾溶液褪色，所以可以用酸性高锰酸钾溶液检验亚铁离子；
用氯化钡检验硫酸根离子，硫酸钡不溶于稀硝酸；
（7）根据2Fe³⁺+2I^-═2Fe²⁺+I₂、I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-知，存在Fe³⁺～S₂O₃^2-，根据关系式计算Fe元素浓度．

解答 解：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）铁元素水解生成氢氧化铁胶体，胶体具有吸附性，所以氢氧化铁胶体能吸附水中的悬浮物而净水，
故答案为：能水解生成具有吸附能力较强的胶体；
（2）过量废铁屑溶于稀硫酸得FeSO₄、Al₂（SO₄）₃混合溶液，根据表中数据可知，向混合溶液中加入少量NaHCO₃，沉淀Al³⁺而不沉淀Fe²⁺，反应方程式为Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，制备硫酸亚铁，应与硫酸铝分离，所以加入碳酸氢钠调节溶液pH除去Al³⁺，故答案为：Al³⁺；
（3）亚铁离子完全沉淀时溶液的pH=9.0，则溶液中c（OH^-）=10^-5 mol/L，K_sp[Fe（OH）₂]=c（Fe²⁺）．c（OH^-）²=10^-5×（10^-5）²=10^-15，
故答案为：10^-15；
（4）酸性条件下，亚硝酸根离子和亚铁离子发生氧化还原反应生成铁离子和NO，离子方程式为2H⁺+Fe²⁺+NO₃^-=Fe³⁺+NO↑+H₂O，
故答案为：2H⁺+Fe²⁺+NO₃^-=Fe³⁺+NO↑+H₂O；
（5）根据转移电子守恒得n（NaNO₂）=$\frac{\frac{11.2L}{22.4L/mol}×4}{1}$=2mol，
故答案为：2mol；
（6）亚铁离子能被酸性高锰酸钾溶液氧化而使酸性高锰酸钾溶液褪色，所以可以用酸性高锰酸钾溶液检验亚铁离子，其操作为取少量溶液于试管中，滴加0.05mol/L的酸性高锰酸钾溶液，如果溶液不褪色，就说明原来溶液中不含亚铁离子；
用氯化钡检验硫酸根离子，硫酸钡不溶于稀硝酸，其操作为：取少量溶液于试管中，滴加0.1mol/L的氯化钡溶液，再加入20%稀硝酸溶液，如果有白色沉淀，就说明溶液中含有硫酸根离子，
故答案为：

取少量溶液于试管中，滴加0.05mol/L的酸性高锰酸钾溶液	溶液不褪色	溶液中不含Fe2+
取少量溶液于试管中，滴加0.1mol/L的氯化钡溶液，再加入20%稀硝酸溶液	有白色沉淀	溶液中含有SO${\;}_{4}^{2-}$

；
（7）根据2Fe³⁺+2I^-═2Fe²⁺+I₂、I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-知，存在Fe³⁺～S₂O₃^2-，
设Fe元素的物质的量为nmol，
Fe³⁺～S₂O₃^2-，
1     1
nmol 0.1000mol•L^-1×0.020L
1：1=nmol：（0.1000mol•L^-1×0.020L）
n=$\frac{0.1000mol/L×0.020L×1}{1mol}$=0.002mol，m（Fe）=0.002mol×56g/mol=0.112g
则溶液的浓度=$\frac{0.112g}{0.020L}$=5.6g/L，
故答案为：5.6．

点评 本题考查物质制备，为高频考点，涉及方程式的计算、物质分离提纯、离子检验、氧化还原反应、盐类水解等知识点，明确基本原理、物质性质差异性、各个物理量之间的关系是解本题关键，题目难度中等．