Question

10．高鐵酸鹽在能源、環(huán)保等方面有著廣泛的用途．
I．高鐵酸鉀（ K₂FeO₄）不僅是一種理想的水處理劑，而且高鐵電池的研制也在進(jìn)行中．如圖1是高鐵電池的模擬實(shí)驗(yàn)裝置：

（1）該電池放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式為FeO₄^2-+4H₂O+3e^-=Fe（OH）₃↓+5OH^-；若維持電流強(qiáng)度為1A，電池工作10min，理論消耗Zn0.2g（已知F=96500C/mol）．
（2）鹽橋中盛有飽和KC1溶液，此鹽橋中氯離子向右移動(dòng)（填“左”或“右”）；若用陽(yáng)離子交換膜代替鹽橋，則鉀離子向左移動(dòng)（填“左”或“右”）．
（3）圖2為高鐵電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)有使用時(shí)間長(zhǎng)、工作電壓穩(wěn)定．
Ⅱ．工業(yè)上濕法制備K₂FeO₄的工藝流程如圖3．

（4）完成“氧化”過程中反應(yīng)的化學(xué)方程式：
2FeCl₃+10NaOH+3NaClO═2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，其中氧化劑是NaClO（填化學(xué)式）．
（5）加入飽和KOH溶液的目的是減小高鐵酸鉀的溶解，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出
（6）已知25℃時(shí)Ksp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，此溫度下若在實(shí)驗(yàn)室中配制5mol/Ll00mL FeCl₃溶液，為使配制過程中不出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，則至少需要加入2.5mL2mol/L的鹽酸（忽略加入鹽酸體積）．

Answer 1

分析 Ⅰ．根據(jù)電池裝置，F(xiàn)e做負(fù)極放電，正極上高鐵酸鉀發(fā)生還原反應(yīng)，均生成相同價(jià)態(tài)的化合物，高鐵酸鉀的氧化性很強(qiáng)，能夠生成三價(jià)鐵．
Ⅰ．（1）根據(jù)電池裝置，Zn做負(fù)極，C為正極，高鐵酸鉀的氧化性很強(qiáng)，正極上高鐵酸鉀發(fā)生還原反應(yīng)生成Fe（OH）₃；根據(jù)電子轉(zhuǎn)移計(jì)算Zn的質(zhì)量；
（2）鹽橋可起到平衡電荷，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)；
（3）由圖可知高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)有：使用時(shí)間長(zhǎng)、工作電壓穩(wěn)定；
Ⅱ．氯化鐵溶液中加入次氯酸鈉和氫氧化鈉，發(fā)生反應(yīng)為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，將Na₂FeO₄粗產(chǎn)品在40%KOH溶液中溶解，過濾除去雜質(zhì)NaCl，加入飽和KOH溶液后，將Na₂FeO₄轉(zhuǎn)化為溶解度更小的K₂FeO₄，反應(yīng)方程式為Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷卻結(jié)晶、過濾，高鐵酸鉀易溶于水，難溶于異丙醇，用異丙醇代替水洗滌產(chǎn)品可以減少高鐵酸鉀的損耗，同時(shí)洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀．
（4）其中Fe元素化合價(jià)由+3價(jià)升高為+6價(jià)，共升高3價(jià)，Cl元素化合價(jià)由+1價(jià)降低為-1，價(jià)，共降低2價(jià)，化合價(jià)升降最小公倍數(shù)為6，則FeCl₃的系數(shù)為2、NaClO的系數(shù)為3，再根據(jù)原子守恒配平；所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)物是氧化劑；
（5）加入飽和KOH溶液可以增大K⁺的濃度，減小高鐵酸鉀的溶解，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出；
（6）根據(jù)K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38計(jì)算開始沉淀時(shí)c（OH^-），再根據(jù)水的離子積計(jì)算溶液中c（H⁺），根據(jù)稀釋定律計(jì)算需要鹽酸的體積；

解答 解：Ⅰ．（1）根據(jù)電池裝置，Zn做負(fù)極，C為正極，高鐵酸鉀的氧化性很強(qiáng)，正極上高鐵酸鉀發(fā)生還原反應(yīng)生成Fe（OH）₃，正極電極反應(yīng)式為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-，若維持電流強(qiáng)度為1A，電池工作十分鐘，通過電子為$\frac{1A×600s}{96500C/mol}$，則理論消耗Zn為$\frac{1A×600s}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.2g，
故答案為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-；02；
（2）鹽橋中陰離子移向負(fù)極移動(dòng)，鹽橋起的作用是使兩個(gè)半電池連成一個(gè)通路，使兩溶液保持電中性，起到平衡電荷，構(gòu)成閉合回路，放電時(shí)鹽橋中氯離子向右移動(dòng)，用某種高分子材料制成陽(yáng)離子交換膜代替鹽橋，則鉀離子向左移動(dòng)，
故答案為：右；左；
（3）由圖可知高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)有：使用時(shí)間長(zhǎng)、工作電壓穩(wěn)定，
故答案為：使用時(shí)間長(zhǎng)、工作電壓穩(wěn)定；
Ⅱ．氯化鐵溶液中加入次氯酸鈉和氫氧化鈉，發(fā)生反應(yīng)為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，將Na₂FeO₄粗產(chǎn)品在40%KOH溶液中溶解，過濾除去雜質(zhì)NaCl，加入飽和KOH溶液后，將Na₂FeO₄轉(zhuǎn)化為溶解度更小的K₂FeO₄，反應(yīng)方程式為Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷卻結(jié)晶、過濾，高鐵酸鉀易溶于水，難溶于異丙醇，用異丙醇代替水洗滌產(chǎn)品可以減少高鐵酸鉀的損耗，同時(shí)洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀．
（4）其中Fe元素化合價(jià)由+3價(jià)升高為+6價(jià)，共升高3價(jià)，Cl元素化合價(jià)由+1價(jià)降低為-1，價(jià)，共降低2價(jià)，化合價(jià)升降最小公倍數(shù)為6，則FeCl₃的系數(shù)為2、NaClO的系數(shù)為3，再根據(jù)原子守恒配平后反應(yīng)方程式為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO═2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，NaClO是氧化劑，
故答案為：2、10、3、2、9、5；NaClO；
所含元素化合價(jià)降低的反應(yīng)物是氧化劑；
（5）加入飽和KOH溶液可以增大K⁺的濃度，減小高鐵酸鉀的溶解，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出，
故答案為：減小高鐵酸鉀的溶解，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出；
（6）溶液中c（Fe³⁺）=5mol/L，根據(jù)K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38，可知開始沉淀時(shí)c（OH^-）=2×10^-13mol/L，則溶液中c（H⁺）=$\frac{10{\;}^{-14}}{2×10{\;}^{-13}}$mol/L=0.05mol/L，根據(jù)稀釋定律，需要鹽酸的體積$\frac{0.05mol/L×100mL}{2mol/L}$=2.5mL，
故答案為：2.5．

點(diǎn)評(píng) 本題考查原電池工作原理、物質(zhì)制備工藝流程，側(cè)重考查物質(zhì)制備方法的分析應(yīng)用，掌握物質(zhì)性質(zhì)和平衡移動(dòng)原理以及化學(xué)電池工作原理是解題關(guān)鍵，（1）中電極反應(yīng)式書寫為難點(diǎn)，題目應(yīng)該給出一定的信息，題目難度中等．