Question

8．高铁酸钾是绿色、环保型水处理剂，也是高能电池的电极材料．工业上，利用硫酸亚铁为原料，
通过铁黄（FeOOH）制备高铁酸钾，可降低生产成本且产品质量优．工艺流程如下：

回答下列问题：
（1）有同学认为上述流程可以与氯碱工业联合．写出电解饱和食盐水制取次氯酸钠的化学方程式NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$NaClO+H₂↑．
（2）制备铁黄的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1：4．实验测得反应溶液的pH、温度对铁黄产率的影响如图所示．反应温度宜选择40℃；pH大于4.5时铁黄产率降低的主要原因可能是酸性减弱，Fe（OH）₃增多．

（3）用高铁酸钾处理水时，不仅能消毒杀菌，还能除去水体中的H₂S、NH₃、CN^-等，生成的氢氧化铁胶体粒子还能吸附水中悬浮杂质．试写出高铁酸钾处理含CN^-废水时除去CN^-的离子方程式10FeO₄^2-+6CN^-+22H₂O=10Fe（OH）₃（胶体）+6CO₃^2-+3N₂↑+14OH^-．
（4）K₂FeO₄可作锌铁碱性高能电池的正极材料，电池反应原理：
2K₂FeO₄+3Zn+8H₂O$?_{放电}^{充电}$2Fe（OH）₃+3Zn（OH）₂+4KOH．放电时负极材料是Zn；充电时阳极的电极反应式为Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O．
（5）已知：常温下，K_ap1Fe（OH）₃]=4.0×10^-38．高铁酸钾的净水能力与废水的pH有关，当溶液pH=2时，废水中c（Fe³⁺）=0.04mol•L^-1．
（6）如果上述流程中，铁元素总利用率为75%．利用1mol 2mol•L^-1FeSO₄溶液能制备纯度为90%的高铁酸钾330kg．

Answer 1

分析 制备高铁酸钾：硫酸亚铁中+2价的铁具有还原性，氧气具有氧化性，两者反应生成铁黄，反应为：4Fe²⁺+O₂+6H₂O=4FeOOH+8H⁺，氯气和氢氧化钠反应生成氯化钠、次氯酸钠和水，反应的化学方程式为：Cl₂+2NaOH═NaCl+NaClO+H₂O，铁黄和次氯酸钠反应生成高铁酸钠，2FeOOH+3NaClO+4NaOH=2Na₂FeO₄+3NaCl+3H₂O，高铁酸钠在溶液中溶解度大于高铁酸钾，加入氯化钾，2KOH+Na₂FeO₄ =K₂FeO₄+2NaOH，高铁酸钠在溶液中转化成高铁酸钾，静置，抽滤获得粗产品．
（1）根据反应物和生成物写出反应方程式，电解饱和食盐水反应生成次氯酸钠和氢气；
（2）化合价降低元素所在的反应物是氧化剂，化合价升高元素所在的反应物是还原剂，根据方程式进行计算，根据图示的实验测得反应溶液的pH、温度对铁黄产率的影响分析；
（3）高铁酸钾中+6价的铁具有氧化性，可以将CN^-氧化为氮气和二氧化碳而除去，根据得失电子守恒和电荷守恒书写离子方程式；
（4）原电池中，失电子的电极是负极，发生氧化反应，充电时，阳极上Fe（OH）₃失电子发生氧化反应；
（5）pH为2时，c（OH^-）=10^-12mol/L，结合K_sp（Fe（OH）₃）=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38计算c（Fe³⁺）；
（6）根据铁元素守恒计算90%的高铁酸钾的质量．

解答 解：（1）电解饱和食盐水，氯气和氢氧化钠充分接触，产物仅是次氯酸钠和氢气，则发生的反应为：NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$NaClO+H₂↑，
故答案为：NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$NaClO+H₂↑；
（2）硫酸亚铁中+2价的铁具有还原性，铁元素从+2价升高为+3价，亚铁离子为还原剂，氧气具有氧化性，氧元素从0价降低为-2价，氧气为氧化剂，两者反应生成铁黄，反应为：4Fe²⁺+O₂+6H₂O=4FeOOH+8H⁺，所以反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1：4，根据图象，40℃左右时，铁黄产率较高，PH大于4.5时生成了氢氧化铁，使得铁黄产率降低，
故答案为：1：4；40℃；酸性减弱，Fe（OH）₃增多；
（3）高铁酸钾具有氧化性，可以将CN^-氧化为氮气和二氧化碳而除去，本身被还原为氢氧化铁，在碱性溶液中二氧化碳变成碳酸根离子，反应的方程式为：10FeO₄^2-+6CN^-+22H₂O=10Fe（OH）₃（胶体）+6CO₃^2-+3N₂↑+14OH^-，
故答案为：10FeO₄^2-+6CN^-+22H₂O=10Fe（OH）₃（胶体）+6CO₃^2-+3N₂↑+14OH^-；
（4）2K₂FeO₄+3Zn+8H₂O$?_{放电}^{充电}$2Fe（OH）₃+3Zn（OH）₂+4KOH，锌反应中化合价升高被氧化，失电子，是负极，充电时阳极发生氧化反应，生成高铁酸根离子，电极反应为：Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案为：Zn；Fe（OH）₃-3e^-+5OH^-=FeO₄^2-+4H₂O；
（5）PH=2时，C（OH^-）=10^-12mol/L，根据K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，C（Fe³⁺）=$\frac{4.0×1{0}^{-38}}{（1{0}^{-12}）^{3}}$mol/L=0.04mol/L，
故答案为：0.04；
（6）1mol 2mol•L^-1FeSO₄溶液中含有2molFeSO₄，根据铁元素守恒，生成高铁酸钾的质量为：m=2mol×75%×198g/mol÷90%=330kg，
故答案为：330．

点评 本题考查高铁酸钾的制备，题目侧重学生的分析能力和实验能力的考查，注意把握物质的性质以及实验流程，明确发生的离子反应及电解反应是解答的关键，题目难度中等．