Question

6．為了保護環(huán)境，充分利用資源，某研究小組通過如下簡化流程，將工業(yè)制硫酸的硫鐵礦燒渣（鐵主要以Fe₂O₃存在）轉(zhuǎn)變成重要的化工原料FeSO₄（反應(yīng)條件略）．

活化硫鐵礦還原Fe³⁺的主要反應(yīng)為：FeS₂+7Fe₂（SO₄）₃+8H₂O═15FeSO₄+8H₂SO₄，不考慮其他反應(yīng)．請回答下列問題：
（1）第Ⅰ步H₂SO₄與Fe₂O₃反應(yīng)的離子方程式是Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）檢驗第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全還原，應(yīng)選擇C（填字母編號）．
A．KMnO₄溶液     B．淀粉-KI溶液     C．KSCN溶液
（3）第Ⅲ步加FeCO₃調(diào)溶液pH到5.8左右，然后在第Ⅳ步通入空氣使溶液pH降到5.2，此時Fe²⁺不沉淀，濾液中鋁、硅雜質(zhì)除盡．通入空氣引起溶液pH降低的原因是氧氣可以將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，F(xiàn)e³⁺離子水解生成H⁺．
（4）FeSO₄在一定條件下可制得FeS₂（二硫化亞鐵）納米材料．該材料可用于制造高容量鋰電池，電池放電時的總反應(yīng)為4Li+FeS₂=Fe+2Li₂S，正極反應(yīng)式是FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-．
（5）FeSO₄可轉(zhuǎn)化為FeCO₃，F(xiàn)eCO₃在空氣中加熱反應(yīng)可制得鐵系氧化物材料．已知25℃，101kPa時：4Fe（s）+3O₂（g）=2Fe₂O₃（s）△H=-1648kJ/mol；C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H=-392kJ/mol；2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）=2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol．FeCO₃在空氣中加熱反應(yīng)生成Fe₂O₃的熱化學(xué)方程式是4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ/mol．
（6）假如燒渣中的鐵全部視為Fe₂O₃，其含量為p．將b kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c的硫酸加入到a kg燒渣中浸取，鐵的浸取率為q，其他雜質(zhì)浸出消耗的硫酸以及調(diào)pH后溶液呈微酸性所殘留的硫酸忽略不計．按上述流程，第Ⅲ步應(yīng)加入FeCO₃$\frac{58bc}{49}$-$\frac{377apq}{280}$ kg．

Answer 1

分析 硫鐵礦燒渣用硫酸浸取，過濾后濾液中含有硫酸鐵、未反應(yīng)的硫酸，用活化硫鐵礦還原Fe³⁺后過濾，向濾液中加入FeCO₃調(diào)節(jié)溶液pH，過濾后在通入空氣、調(diào)節(jié)溶液pH，除去溶液中雜質(zhì)離子，過濾濃縮結(jié)晶得到FeSO₄晶體．
（1）H₂SO₄與Fe₂O₃反應(yīng)生成硫酸鐵與水；
（2）用KSCN 溶液檢驗第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全還原；
（3）氧氣可以講亞鐵離子氧化為鐵離子，鐵離子水解使溶液pH降低；
（4）電池放電時的總反應(yīng)為：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正極發(fā)生還原反應(yīng)，F(xiàn)eS₂獲得電子生成Fe、S^2-；
（5）發(fā)生反應(yīng)：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進行加減，構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式；
（6）第Ⅲ步應(yīng)加入FeCO₃后，浸取時加入的硫酸、活化硫鐵礦還原Fe³⁺時生成的硫酸完全轉(zhuǎn)化為FeSO₄，根據(jù)FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃計算參加反應(yīng)的FeS₂的物質(zhì)的量，根據(jù)硫元素守恒計算n_總（FeSO₄），由Fe元素守恒計算n（FeCO₃），再根據(jù)m=nM計算其質(zhì)量．

解答 解：硫鐵礦燒渣用硫酸浸取，過濾后濾液中含有硫酸鐵、未反應(yīng)的硫酸，用活化硫鐵礦還原Fe³⁺后過濾，向濾液中加入FeCO₃調(diào)節(jié)溶液pH，過濾后在通入空氣、調(diào)節(jié)溶液pH，除去溶液中雜質(zhì)離子，過濾濃縮結(jié)晶得到FeSO₄晶體．
（1）H₂SO₄與Fe₂O₃反應(yīng)生成硫酸鐵與水，反應(yīng)離子方程式為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，
故答案為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）KMnO₄溶液、K₃[Fe（CN）₆]溶液可以檢驗有Fe²⁺生成，取第Ⅱ步反應(yīng)中溶液少許與試管中，滴加KSCN 溶液，若溶液不變紅色，說明Fe³⁺完全被還原，
故答案為：C；
（3）氧氣可以將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，F(xiàn)e³⁺離子水解生成H⁺，使溶液pH降低，
故答案為：氧氣可以將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，F(xiàn)e³⁺離子水解生成H⁺；
（4）電池放電時的總反應(yīng)為：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正極發(fā)生還原反應(yīng)，F(xiàn)eS₂獲得電子生成Fe、S^2-，正極電極反應(yīng)式為：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-，
故答案為：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-；
（5）發(fā)生反應(yīng)：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，
已知：①4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe₂O₃（s）△H=-1648kJ/mol
②C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393kJ/mol
③2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，①-③×2+②×④可得4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g），故△H=-1648kJ/mol-2×（-1480kJ/mol）+4×（-393kJ/mol）=-260kJ/mol，
故反應(yīng)熱化學(xué)方程式為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ/mol，
故答案為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ/mol；
（6）鐵全部視為Fe₂O₃，其含量為p，akg燒渣中，F(xiàn)e₂O₃質(zhì)量為p×akg，鐵的浸取率為q，側(cè)參加反應(yīng)的Fe₂O₃質(zhì)量為pqcag，其物質(zhì)的量為pqa×10³g÷160g/mol=$\frac{25paq}{4}$mol，
bkg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c的硫酸中m（H₂SO₄）=bckg，其物質(zhì)的量為（bc×10³）g÷98g/mol=$\frac{1000bc}{98}$mol，
第Ⅲ步應(yīng)加入FeCO₃后，浸取時加入的硫酸、活化硫鐵礦還原Fe³⁺時生成的硫酸完全轉(zhuǎn)化為FeSO₄，
根據(jù)電子得失守恒有關(guān)系FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃，可知參加反應(yīng)的FeS₂的物質(zhì)的量$\frac{1}{7}$×$\frac{25paq}{4}$mol，
根據(jù)硫元素守恒計算n_總（FeSO₄）=$\frac{1}{7}$×$\frac{25paq}{4}$mol×2+$\frac{1000bc}{98}$mol，
由Fe元素守恒n（FeCO₃）=n_總（FeSO₄）-n（FeS₂）-2n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{7}$×$\frac{25paq}{4}$mol×2+$\frac{1000bc}{98}$mol-$\frac{1}{7}$×$\frac{25paq}{4}$mol-2×$\frac{25paq}{4}$mol=$\frac{1000bc}{98}$mol-$\frac{325apq}{28}$mol，故m（FeCO₃）=（$\frac{1000bc}{98}$-$\frac{325apq}{28}$） mol×116g/mol=（$\frac{58bc}{49}$-$\frac{377apq}{280}$）kg，
故答案為：$\frac{58bc}{49}$-$\frac{377apq}{280}$

點評 本題以化學(xué)工藝流程為載體，考查離子方程式書寫、離子檢驗、熱化學(xué)方程式書寫、電極反應(yīng)式、化學(xué)計算等，需要學(xué)生熟練掌握元素化合物知識，（6）中計算為易錯點、難點，注意利用守恒法計算，避免計算繁瑣，較好的考查學(xué)生分析計算能力．