Question

10．為了保護(hù)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(yàn)第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全還原，應(yīng)選擇BC（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(shí)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(shí)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(shí)：
4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe△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=-256kJ/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(jì)．按上述流程，第Ⅲ步應(yīng)加入FeCO₃1.18bc-1.35pqa 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?yàn)V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(yàn)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(shí)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(jìn)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(shí)加入的硫酸、活化硫鐵礦還原Fe³⁺時(shí)生成的硫酸完全轉(zhuǎn)化為FeSO₄，根據(jù)FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃計(jì)算參加反應(yīng)的FeS₂的物質(zhì)的量，根據(jù)硫元素守恒計(jì)算n_總（FeSO₄），由Fe元素守恒計(jì)算n（FeCO₃），再根據(jù)m=nM計(jì)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?yàn)V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溶液可以檢驗(yàn)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，也可以加入淀粉-碘化鉀溶液，鐵離子存在會氧化碘離子生成碘單質(zhì)，溶液變藍(lán)色，故選BC，
故答案為：BC；
（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(shí)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{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，
已知：①4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe₂O₃（s）△H=-1648kJ/mol
②C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-392kJ/mol
③2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，①-③×2+②×④可得4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g），故△H=-1648kJ/mol-2×（-1480kJ/mol）+4×（-392kJ/mol）=-256kJ/mol，
故反應(yīng)熱化學(xué)方程式為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol，
故答案為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol；
（6）假如燒渣中的鐵全部視為Fe₂O₃，其含量為p．將b kg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c的硫酸加入到a kg燒渣中浸取，鐵的浸取率為q，
Fe₂O₃含量為P，akg燒渣中，F(xiàn)e₂O₃質(zhì)量為P×akg，鐵的浸取率為q，側(cè)參加反應(yīng)的Fe₂O₃質(zhì)量為P×akg×q，其物質(zhì)的量=$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，bkg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c的硫酸中m（H₂SO₄）=c×bkg，其物質(zhì)的量=$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$mol，
第Ⅲ步應(yīng)加入FeCO₃后，浸取時(shí)加入的硫酸、活化硫鐵礦還原Fe³⁺時(shí)生成的硫酸完全轉(zhuǎn)化為FeSO₄，
根據(jù)FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃，可知參加反應(yīng)的FeS₂的物質(zhì)的量$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，
根據(jù)硫元素守恒計(jì)算n_總（FeSO₄）=$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$×2+$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$，
由Fe元素守恒n（FeCO₃）=n_總（FeSO₄）-n（FeS₂）-2n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$×2+$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$-$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$-2×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$=$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$-$\frac{13}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，故m（FeCO₃）=[$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$-$\frac{13}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$]×116g/mol≈（1.18bc-1.35pqa）×10³g=（1.18bc-1.35pqa）kg，
故答案為：1.18bc-1.35pqa．

點(diǎn)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(yàn)、熱化學(xué)方程式書寫、電極反應(yīng)式、化學(xué)計(jì)算等，需要學(xué)生熟練掌握元素化合物知識，（6）中計(jì)算為易錯點(diǎn)、難點(diǎn)，注意利用守恒法計(jì)算，避免計(jì)算繁瑣，較好的考查學(xué)生分析計(jì)算能力．