Question

5．鐵合金廠廢氣主要來源于礦熱電爐、精煉電爐、焙燒回轉(zhuǎn)窯和多層機械焙燒爐．鐵合金廠廢氣排放量大，含塵濃度高，廢氣中含有Fe₂O₃、Fe₃O₄、MnO₂焦炭顆粒等煙塵成分，還含有高達4000-7000mL/m³的SO₂氣體，其回收利用價值較高．某國際知名的EZJSY•TJW實驗室提出如圖回收流程：

回答下列問題：
（1）若流程中某裝置是一恒溫恒容容器，則在催化劑條件下可發(fā)生反應(yīng)：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）．若起始通入2molSO₂和1molO₂在此條件下達到平衡．那么下列哪種投料方法會達到此條件下的等效平衡AD
A、2molSO₃ 　　　　B、2molSO₂、1molO₂和2molSO₃
C、4molSO₂和2molO₂ 　  D、1molSO₂、0.5molO₂和1molSO₂
（2）在本流程中，某裝置實際上是一個燃料電池裝置，電解質(zhì)溶液為稀硫酸．試寫出該反應(yīng)中負極的電極反應(yīng)式：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺．
（3）物質(zhì)X為雙氧水（填名稱）
（4）假設(shè)溶液A中溶質(zhì)濃度為1mol/L，若要使Fe³⁺不產(chǎn)生沉淀，需控制溶液的pH＜2.6（已知Ksp[Fe（OH）₃]=1.28×10^-34mol⁴•L^-4，lg2=0.3）
（5）由溶液A得到Fe₂（SO₄）₃粉末需要進行的操作是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶．
（6）若向溶液A中加入Na₂CO₃溶液，反應(yīng)的離子方程式為：2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑．

Answer 1

分析 鐵合金廠廢氣通過凈化除塵可以得到固體（含F(xiàn)e₂O₃、Fe₃O₄、MnO₂焦炭顆粒）和SO₂氣體，SO₂氣體和氧氣在電解質(zhì)溶液為稀硫酸的燃料電池下發(fā)生反應(yīng)生成了硫酸，硫酸用于溶于固體發(fā)生反應(yīng)為Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O；Fe₃O₄+4H₂SO₄=FeSO₄+Fe₂（SO₄）₃+4H₂O，過濾得到濾液含有FeSO₄、Fe₂（SO₄）₃、H₂SO₄，濾渣含有MnO₂、焦炭，向濾液中加入雙氧水得到Fe₂（SO₄）₃．
（1）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）是一個反應(yīng)前后氣體體積不等的反應(yīng)，在恒溫恒容條件下，通過轉(zhuǎn)化投料相同才能達到等效平衡，據(jù)此分析；
（2）此裝置為二氧化硫燃料電池，根據(jù)原電池的原理可以寫出負極反應(yīng)式；
（3）根據(jù)流程圖可知要將FeSO₄氧化成Fe₂（SO₄）₃而不要引入新的雜質(zhì)很容易想到選用雙氧水作氧化劑；
（4）根據(jù)沉淀溶解平衡常數(shù)Ksp公式進行計算可以推算出C（OH^-），進而求算出溶液的pH；
（5）要從溶液中得到Fe₂（SO₄）₃粉末通常需要進行的操作是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶；
（6）溶液A中主要成分為Fe₂（SO₄）₃，加入Na₂CO₃溶液，其中Fe³⁺和CO₃^2-+發(fā)生雙水解反應(yīng)生成Fe（OH）₃和CO₂．

解答 解：（1）2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）是一個反應(yīng)前后氣體體積不等的反應(yīng)，在恒溫恒容條件下，通過轉(zhuǎn)化投料相同才能達到等效平衡，通過轉(zhuǎn)化A．相當(dāng)于投入2molSO₂和1molO₂B．相當(dāng)于投入4molSO₂和2molO₂C.4molSO₂和2molO₂D．通過轉(zhuǎn)化相當(dāng)于投入4molSO₂和2molO₂，AD符合題意，故選AD；
（2）由題意可知這是利用硫酸作電解質(zhì)溶液的SO₂的燃料電池，2SO₂和O₂通過原電池生成硫酸，負極為SO₂氣體，負極反應(yīng)為SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺，故答案為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4H⁺；
（3）根據(jù)流程圖可知要將FeSO₄氧化成Fe₂（SO₄）₃而不要引入新的雜質(zhì)很容易想到選用雙氧水作氧化劑，故答案為：雙氧水；
（4）C（Fe₂（SO₄）₃）=1mol/L所以C（Fe³⁺）=2mol/L
Ksp[Fe（OH）₃]=C（Fe³⁺）•C³（OH^-）=1.28×10^-34mol⁴•L^-4
C（OH^-）=$\root{3}{\frac{Ksp[Fe（OH）3]}{C（Fe3+）}}$=$\root{3}{\frac{1.28×1{0}^{-34}mo{l}^{4}•{L}^{-4}}{2mol/L}}$=4×10^-12mol/L
C（H⁺）=$\frac{Kw}{C（O{H}^{-}）}$=$\frac{1{0}^{-14}}{4×1{0}^{-12}mol/L}$=$\frac{1{0}^{-2}}{4}$mol/L
pH=-lgC（H⁺）=-lg$\frac{1{0}^{-2}}{4}$=-（lg10^-2-lg4）=2+2lg2=2+2×0.3=2.6，pH越大Fe³⁺越容易沉淀，所以pH要小于2.6，故答案為：2.6；
（5）要從溶液中得到Fe₂（SO₄）₃粉末通常需要進行的操作是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，故答案為：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶；
（6）溶液A中主要成分為Fe₂（SO₄）₃，加入Na₂CO₃溶液，其中Fe³⁺和CO₃^2-+發(fā)生雙水解反應(yīng)生成Fe（OH）₃和CO₂，反應(yīng)為2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑，故答案為：2Fe³⁺+3CO₃^2-+3H₂O=2Fe（OH）₃↓+3CO₂↑．

點評 本題考查物質(zhì)分離和提純，為高頻考點，側(cè)重考查學(xué)生基本操作、物質(zhì)性質(zhì)等知識點，涉及離子檢驗、雙水解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等知識點，明確實驗原理及物質(zhì)性質(zhì)是解本題關(guān)鍵，注意化學(xué)用語的靈活運用，題目難度中等．