Question

20．電池級草酸亞鐵廣泛用于新型電池材料等領(lǐng)域．利用制鈦白粉的副產(chǎn)品硫酸亞鐵（主要成分FeSO₄•7H₂O，含Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等雜質(zhì)）生產(chǎn)電池級草酸亞鐵的一種工藝流程如圖1．
已知：①25℃時，草酸的電離平衡常數(shù)為：K_a1=5.9×10^-2，K_a2=6.4×10^-5．
②文獻記載：草酸亞鐵在中性或堿性環(huán)境中是不穩(wěn)定的．
③幾種難溶物的溶解度與pH的關(guān)系如圖2所示．
回答下列問題：
（1）“除雜”步驟加入鐵粉的作用有二：其一是還原Fe³⁺，其二是調(diào)節(jié)溶液的PH值；為除盡雜質(zhì)，須控制pH至少5為宜，寫出pH=3時除去雜質(zhì)的反應離子方程式：TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺．

（2）“轉(zhuǎn)化”步驟中草酸與 Fe（OH）₂懸濁液的反應體系須控制條件．實驗表明：酸度對產(chǎn)品純度的影響如圖3．隨著pH的升高，導致產(chǎn)品純度下降所發(fā)生的氧化還原反應方程式為4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂═4Fe（OH）₃；為保證產(chǎn)品純度大于99.5%，反應體系必須保持較低的pH，但過高的酸度又會使產(chǎn)品純度降低，其原因是溶液的PH值太小會導致氫氧化亞鐵溶解．
（3）“過濾②”步驟所得的濾液中含有的陽離子有NH₄⁺、Fe³⁺、H⁺；此外，其中還含有一定量的H₂C₂O₄，若該濾液的pH=2，則其中c（C₂O₄^2- ）：c（H₂C₂O₄ ）=3.8×10^-2．
（4）在“洗滌”步驟中，確認沉淀已洗滌干凈的依據(jù)是取少量最一次洗滌濾液于試管中，加入足量的氯化鋇溶液，沒有出現(xiàn)白色渾濁．

Answer 1

分析 副產(chǎn)品硫酸亞鐵（主要成分FeSO₄•7H₂O，含Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等雜質(zhì)），加水和鐵屑，F(xiàn)e與Fe³⁺反應生成FeSO₄，調(diào)節(jié)溶液的PH值為3左右時，TiO²⁺水解生成TiO₂•xH₂O，使鋁離子水解生成氫氧化鋁沉淀，過濾，濾渣為TiO₂•xH₂O、Fe、氫氧化鋁，濾液中再加氨水生成氫氧化亞鐵懸濁液，再加入草酸生成草酸亞鐵沉淀，過濾得濾液為硫酸亞鐵、硫酸銨等，濾渣為草酸亞鐵，將草酸亞鐵固體洗滌、干燥、粉碎即可得電池級草酸亞鐵，
（1）樣品中的雜質(zhì)主要為Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等，加入鐵粉可以還原鐵離子，調(diào)節(jié)溶液的PH值使Al³⁺、TiO²⁺都水解產(chǎn)生沉淀而除去，據(jù)此答題；
（2）隨著pH的升高，氫氧化亞鐵容易被空氣中氧氣氧化為氫氧化鐵，但溶液的PH值太小會導致氫氧化亞鐵溶解，所以要保持合適的PH值；
（3）“過濾②”步驟所得的濾液為硫酸亞鐵、硫酸銨等，據(jù)此判斷陽離子，此外其中還含有一定量的H₂C₂O₄，存在平衡H₂C₂O₄?C₂O₄^2-+2H⁺，且K=K_a1•K_a2，據(jù)此計算c（C₂O₄^2- ）：c（H₂C₂O₄ ）；
（4）在“洗滌”步驟中，確認沉淀已洗滌干凈可以根據(jù)洗滌液中是否含有硫酸根離子判斷．

解答 解：副產(chǎn)品硫酸亞鐵（主要成分FeSO₄•7H₂O，含Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等雜質(zhì)），加水和鐵屑，F(xiàn)e與Fe³⁺反應生成FeSO₄，調(diào)節(jié)溶液的PH值為3左右時，TiO²⁺水解生成TiO₂•xH₂O，使鋁離子水解生成氫氧化鋁沉淀，過濾，濾渣為TiO₂•xH₂O、Fe、氫氧化鋁，濾液中再加氨水生成氫氧化亞鐵懸濁液，再加入草酸生成草酸亞鐵沉淀，過濾得濾液為硫酸亞鐵、硫酸銨等，濾渣為草酸亞鐵，將草酸亞鐵固體洗滌、干燥、粉碎即可得電池級草酸亞鐵，
（1）樣品中的雜質(zhì)主要為Al³⁺、Fe³⁺、TiO²⁺等，加入鐵粉可以還原鐵離子，調(diào)節(jié)溶液的PH值，使Al³⁺、TiO²⁺都水解產(chǎn)生沉淀而除去，根據(jù)圖可知，須控制pH至少5為宜，才能使Al³⁺、TiO²⁺都水解產(chǎn)生沉淀，pH=3時除去雜質(zhì)的反應離子方程式為TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺，
故答案為：調(diào)節(jié)溶液的PH值；5；TiO²⁺+2H₂O═H₂TiO₃↓+2H⁺；
（2）隨著pH的升高，氫氧化亞鐵容易被空氣中氧氣氧化為氫氧化鐵，反應的離子方程式為4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂═4Fe（OH）₃，但溶液的PH值太小會導致氫氧化亞鐵溶解，所以要保持合適的PH值，
故答案為：4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂═4Fe（OH）₃；溶液的PH值太小會導致氫氧化亞鐵溶解；
（3）“過濾②”步驟所得的濾液為硫酸亞鐵、硫酸銨等，所以溶液呂含有陽離子為NH₄⁺、Fe³⁺、H⁺，此外其中還含有一定量的H₂C₂O₄，存在平衡H₂C₂O₄?C₂O₄^2-+2H⁺，且K=K_a1•K_a2，當溶液的pH=2即c（H⁺）=10^-2時，根據(jù)K=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）•c（C{\;}_{2}O{\;}_{4}{\;}^{2-}）}{c（H{\;}_{2}C{\;}_{2}O{\;}_{4}）}$=K_a1•K_a2可知，c（C₂O₄^2-）：c（H₂C₂O₄）=$\frac{Ka{\;}_{1}•Ka{\;}_{2}}{{c}^{2}（{H}^{+}）}$=$\frac{5.9×10{\;}^{-2}×6.4×10{\;}^{-5}}{1{0}^{-4}}$=3.8×10^-2，
故答案為：NH₄⁺、Fe³⁺、H⁺；3.8×10^-2；
（4）在“洗滌”步驟中，確認沉淀已洗滌干凈的方法是取少量最一次洗滌濾液于試管中，加入足量的氯化鋇溶液，沒有出現(xiàn)白色渾濁，則說明已經(jīng)洗滌干凈，
故答案為：取少量最一次洗滌濾液于試管中，加入足量的氯化鋇溶液，沒有出現(xiàn)白色渾濁．

點評 本題考查了流程分析判斷滿屋子性質(zhì)的分析和反應實驗的現(xiàn)象和步驟是解題關(guān)鍵，沉淀溶解平衡常數(shù)的運用、除雜的分析應用是解題關(guān)鍵，題目難度中等．