Question

12．以硫鐵礦為原料生產硫酸所得的酸性廢水中砷元素含量極高，為控制砷的排放，用化學沉降法處理含砷廢水，相關數(shù)據如下表．

表1．幾種砷酸鹽的Ksp
難溶物	Ksp
Ca3（AsO4）2	6.8×10-9
AlAsO4	1.6×10-16
FeAsO4	7.2×10-21

表2．工廠污染物排放濃度及允許排放標準
污染物	H2SO4	As
濃度	19.6g/L	1.6g•L-1
排放標準	pH6～9	0.5mg•L-1

回答以下問題：
（1）該硫酸工廠排放的廢水中硫酸的物質的量濃度c（H₂SO₄）=0.2mol•L^-1．
（2）寫出難溶物Ca₃（AsO₄）₂的K_sp表達式：K_sp[Ca₃（AsO₄）₂]=c³（Ca²⁺）•c²（AsO₄^3-），若混合溶液中Al³⁺、Fe³⁺的濃度均為1.0×10^-4mol•L^-1，c（AsO₄^3-）的最大是7.2×10^-17mol•L^-1．
（3）工廠排放出的酸性廢水中的三價砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先將其氧化成五價砷（H₃AsO₄弱酸），寫出該反應的離子方程式2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O．
（4）在處理含砷廢水時采用分段式，先向廢水中投入生石灰調節(jié)pH到2，再投入生石灰將pH調節(jié)到8左右使五價砷以Ca₃（AsO₄）₂形式沉降．
①將pH調節(jié)到2時廢水中有大量沉淀產生，沉淀主要成分的化學式為CaSO₄；
②Ca₃（AsO₄）₂在pH調節(jié)到8左右才開始沉淀的原因為H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節(jié)到8左右時AsO₄^3-濃度增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀．

Answer 1

分析 （1）據廢水中硫酸的含量為19.6g/L計算其物質的量濃度；
（2）依據Ksp越小，先生成沉淀，依據溶度積常數(shù)計算得到兩種濃度；
（3）根據反應物和生成物結合元素化合價的變化配平方程式；
（4）①硫酸鈣難溶于酸，所以酸性條件下能析出；
②H₃AsO₄是弱酸電離出來的AsO₄^3-較少，所以酸性條件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀．

解答 解：（1）每L廢水中含硫酸的物質的量為$\frac{19.6g}{98g/mol}$=0.2mol，所以其物質的量濃度為：$\frac{0.2mol}{1L}$=0.2mol/L，故答案為：0.2；
（2）K_sp[Ca₃（AsO₄）₂]=c³ （Ca²⁺）•c² （AsO₄^3-）；若混合溶液中Al³⁺、Fe³⁺的濃度均為1.0×10^-4mol•L^-1，依據Ksp大小可以得到，Ksp（FeAsO₄ ）小，反應過程中Fe³⁺先析出沉淀；依據Ksp（FeAsO₄ ）=c（Fe³⁺）c（AsO₄^3-）=7.2×10^-21；Fe³⁺的濃度均為1.0×10^-4mol•L^-1，計算得到 c（AsO₄^3-）=7.2×10^-17mol/L，
故答案為：c³ （Ca²⁺）•c² （AsO₄^3-）；7.2×10^-17；
（3）三價砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先將其氧化成五價砷（H₃AsO₄弱酸）同時生成Mn²⁺和H₂O，則該反應的離子方程式為：2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O，
故答案為：2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O；
（4）①硫酸鈣難溶于酸，所以酸性條件下能析出，因此pH調節(jié)到2時廢水中有大量沉淀產生，沉淀主要成分的化學式為CaSO₄，故答案為：CaSO₄；
②H₃AsO₄是弱酸電離出來的AsO₄^3-較少，所以酸性條件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，當溶液中pH調節(jié)到8左右時AsO₄^3-濃度增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀，
故答案為：H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節(jié)到8左右時AsO₄^3-濃度增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀．

點評 本題考查了溶液中濃度的換算，沉淀溶解平衡的溶度積常數(shù)計算，離子方程式的書寫，沉淀的形成等，考查的知識點較多，題目難度中等，試題能夠提高學生的分析、理解能力及計算能力．