Question

12．铁、钴（Co）、镍（Ni）是同族元素，都是较活泼的金属，它们的化合物在工业上有重要的应用．
（1）Fe₂（SO₄）₃和明矾一样也具有净水作用，其净水的原理是Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃（胶体）+3H⁺．
（用离子方程式表示）．
（2）已知某溶液中，Co²⁺、Ni²⁺的浓度分别为0.6mol/L和1.2mol/L，取一定量的该溶液，向其中滴加NaOH溶液，当Co（OH）₂开始沉淀时，溶液中$\frac{c（C{O}^{2+}）}{c（N{i}^{2+}）}$的值等于3．
（已知Ksp[Co（OH）₂]=6.0×10^-15，Ksp[Ni（OH）₂]=2.0×10^-15）
（3）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．
已知高铁酸盐热稳定性差，工业上用湿法制备K₂FeO₄的流程如图1所示：

①上述氧化过程中，发生反应的离子方程式是：2Fe（OH）₃+3ClO^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，
在实际生产中一般控制反应温度30℃以下，其原因是：防止生成的高铁酸钠发生分解．
②反应③加入浓KOH溶液可析出高铁酸钾（K₂FeO₄），这说明该温度下，高铁酸钾的溶解度比高铁酸钠的溶解度小．
③某温度下，将Cl₂通入NaOH溶液中，反应后得到NaCl、NaClO、NaClO₃的混合溶液，经测定ClO^-与ClO₃^-离子的物质的量之比是1：2，则Cl₂与氢氧化钠反应时，被还原的氯元素和被氧化的氯元素的物质的量之比为11：3．
（4）工业上还可用通过电解浓NaOH溶液制备Na₂FeO₄，其工作原理如图2所示：阳极的电极反应式为Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；其中可循环使用的物质NaOH溶液．

Answer 1

分析 （1）三价铁离子水解产生氢氧化铁胶体，胶体表面积大，吸附能力强，达到净水目的；
（2）Ksp[Co（OH）₂]=6.0×10^-15，Ksp[Ni（OH）₂]=2.0×10^-15，对于同种类型的沉淀，Ksp越小，越难溶，则在滴加氢氧化钠溶液的过程中，二价镍离子先沉淀，Ni²⁺+2OH^-=Ni（OH）₂↓，当Co²⁺开始沉淀时，溶液中存在两个溶解平衡：Co（OH）₂?CO²⁺+2OH^-，Ni（OH）₂?Ni²⁺+2OH^-，根据Ksp[Co（OH）₂]计算出此时溶液中c（OH^-），则可计算出此时溶液中剩下的镍离子浓度，最终得出溶液中$\frac{c（C{o}^{2+}）}{c（N{i}^{2+}）}$的值；
（3）①氯气与氢氧化钠反应产生强氧化剂次氯酸钠，硝酸铁水解产生氢氧化铁胶体，次氯酸钠将氢氧化铁氧化成高铁酸钠，据此写出氧化过程的离子方程式；已知高铁酸盐热稳定性差，在实际生产中一般控制反应温度30℃以下，其原因是防止生成的高铁酸钠发生分解；
②加入浓KOH溶液可析出高铁酸钾（K₂FeO₄），说明该温度下，高铁酸钾的溶解度比高铁酸钠的溶解度小；
③Cl₂生成ClO^-、ClO₃^-化合价升高，是被氧化的过程，而Cl₂生成NaCl是化合价降低被还原的过程，氧化还原反应中氧化剂和还原剂之间得失电子数目相等，据ClO^-与ClO₃^-的物质的量浓度之比可计算出失去电子的总物质的量，进而可计算得到电子的总物质的量；再根据氯元素被还原生成KCl的化合价变化为1计算出被还原的氯元素的物质的量，最后计算出被还原的氯元素和被氧化的氯元素的物质的量之比；
（4）依据阳极是铁，故阳极上铁放电生成FeO₄^2-结合碱性环境来写出电极方程式；根据OH^-在阳极被消耗，而在阴极会生成来分析．

解答 解：（1）三价铁离子水解产生氢氧化铁胶体，离子方程式为：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃（胶体）+3H⁺，胶体表面积大，吸附能力强，达到净水目的，
故答案为：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃（胶体）+3H⁺；
（2）Ksp[Co（OH）₂]=6.0×10^-15，Ksp[Ni（OH）₂]=2.0×10^-15，对于同种类型的沉淀，Ksp越小，越难溶，
则在滴加氢氧化钠溶液的过程中，二价镍离子先沉淀，Ni²⁺+2OH^-=Ni（OH）₂↓，
当Co²⁺开始沉淀时，溶液中存在两个溶解平衡：C_O（OH）₂?CO²⁺+2OH^-，Ni（OH）₂?Ni²⁺+2OH^-，
根据Ksp[Co（OH）₂]计算出此时溶液中c（OH^-），c（OH^-）=$\sqrt{\frac{{K}_{SP}[Co（OH）_{2}]}{c（C{o}^{2+}）}}$=$\sqrt{\frac{6.0×1{0}^{-15}}{0.6}}$=10^-7mol/L，
则溶液中剩下的镍离子浓度c（Ni²⁺）=$\frac{{K}_{SP}[Ni（OH）_{2}]}{{c}^{2}（O{H}^{-}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-15}}{（1{0}^{-7}）^{2}}$=0.2mol/L，溶液中$\frac{c（C{o}^{2+}）}{c（N{i}^{2+}）}$=$\frac{0.6mol/L}{0.2mol/L}$=3，
故答案为：3；
（3）①氯气与氢氧化钠反应产生强氧化剂次氯酸钠，硝酸铁水解产生氢氧化铁胶体，次氯酸钠将氢氧化铁氧化成高铁酸钠，离子方程式为：2Fe（OH）₃+3ClO^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；已知高铁酸盐热稳定性差，在实际生产中一般控制反应温度30℃以下，其原因是防止生成的高铁酸钠发生分解，
故答案为：2Fe（OH）₃+3ClO^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；防止生成的高铁酸钠发生分解；
②加入浓KOH溶液可析出高铁酸钾（K₂FeO₄），说明该温度下，高铁酸钾的溶解度比高铁酸钠的溶解度小，
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；
③Cl₂生成ClO^-与ClO₃^-是被氧化的过程，化合价分别由0价升高为+1价和+5价，
经测定ClO^-和ClO₃^-物质的量之比为1：2，
则可设ClO^-为1mol，ClO₃^-为2mol，被氧化的氯元素的物质的量为：1mol+2mol=3mol，
根据化合价变化可知，反应中失去电子的总物质的量为：1mol×（1-0）+2mol×（5-0）=11mol，
氧化还原反应中得失电子数目一定相等，则该反应中失去电子的物质的量也是11mol，
Cl₂生成KCl是被还原的过程，化合价由0价降低为-1价，
则被还原的Cl的物质的量为：$\frac{11mol}{1-0}$=11mol，
所以被还原的氯元素和被氧化的氯元素的物质的量之比为11mol：3mol=11：3，
故答案为：11：3；
（4）阳极是铁，故阳极上铁放电生成FeO₄^2-，由于是碱性环境，故电极方程式为：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
在电解时，水电离的H⁺在阴极放电：2H⁺+2e^-=H₂↑，c（OH^-）增大，Na⁺通过阳离子交换膜进入阴极区，使阴极区c（NaOH）增大，故NaOH可以循环使用，
故答案为：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；NaOH溶液．

点评 本题考查了三价铁离子与Na₂FeO₄的净水原理，涉及难溶电解质的计算、氧化还原反应方程的书写、计算、电极反应的书写，综合性强，有一定难度，Na₂FeO₄的净水是常考点，应注意归纳总结．