Question

10．為了保護環境，充分利用資源，某研究小組通過如下簡化流程，將工業制硫酸的硫鐵礦燒渣（鐵主要以Fe₂O₃存在）轉變成重要的化工原料FeSO₄（反應條件略）．

活化硫鐵礦還原Fe³⁺的主要反應為：FeS₂+7Fe₂（SO₄）₃+8H₂O=15FeSO₄+8H₂SO₄，不考慮其他反應．請回答下列問題：
（1）第Ⅰ步H₂SO₄與Fe₂O₃反應的離子方程式是Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O．
（2）檢驗第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全還原，應選擇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Fe²⁺不沉淀，濾液中鋁、硅雜質除盡．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，Fe³⁺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，電池放電時的總反應為4Li+FeS₂=Fe+2Li₂S，正極反應式是FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-．
（5）FeSO₄可轉化為FeCO₃，FeCO₃在空氣中加熱反應可制得鐵系氧化物材料．已知25℃，101kPa時：
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在空氣中加熱反應生成Fe₂O₃的熱化學方程式是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質量分數為c的硫酸加入到a kg燒渣中浸取，鐵的浸取率為q，其他雜質浸出消耗的硫酸以及調pH后溶液呈微酸性所殘留的硫酸忽略不計．按上述流程，第Ⅲ步應加入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、未反應的硫酸，用活化硫鐵礦還原Fe³⁺后過濾，向濾液中加入FeCO₃調節溶液pH，過濾后在通入空氣、調節溶液pH，除去溶液中雜質離子，過濾濃縮結晶得到FeSO₄晶體．
（1）H₂SO₄與Fe₂O₃反應生成硫酸鐵與水；
（2）用KSCN 溶液檢驗第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）電池放電時的總反應為：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正極發生還原反應，FeS₂獲得電子生成Fe、S^2-；
（5）發生反應：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，根據蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以適當的系數進行加減，構造目標熱化學方程式；
（6）第Ⅲ步應加入FeCO₃后，浸取時加入的硫酸、活化硫鐵礦還原Fe³⁺時生成的硫酸完全轉化為FeSO₄，根據FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃計算參加反應的FeS₂的物質的量，根據硫元素守恒計算n_總（FeSO₄），由Fe元素守恒計算n（FeCO₃），再根據m=nM計算其質量．

解答 解：硫鐵礦燒渣用硫酸浸取，過濾后濾液中含有硫酸鐵、未反應的硫酸，用活化硫鐵礦還原Fe³⁺后過濾，向濾液中加入FeCO₃調節溶液pH，過濾后在通入空氣、調節溶液pH，除去溶液中雜質離子，過濾濃縮結晶得到FeSO₄晶體．
（1）H₂SO₄與Fe₂O₃反應生成硫酸鐵與水，反應離子方程式為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，
故答案為：Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O；
（2）KMnO₄溶液可以檢驗有Fe²⁺生成，取第Ⅱ步反應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，溶液變藍色，故選BC，
故答案為：BC；
（3）氧氣可以將Fe²⁺離子氧化為Fe³⁺離子，Fe³⁺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，Fe³⁺離子水解生成H⁺；
（4）電池放電時的總反應為：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正極發生還原反應，FeS₂獲得電子生成Fe、S^2-，正極電極反應式為：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-，
故答案為：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-；
（5）發生反應：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，
已知：①4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe₂O₃（s）△H=-1648kJ/mol
②C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-392kJ/mol
③2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol
根據蓋斯定律，①-③×2+②×④可得4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g），故△H=-1648kJ/mol-2×（-1480kJ/mol）+4×（-392kJ/mol）=-256kJ/mol，
故反應熱化學方程式為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol，
故答案為：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-256kJ/mol；
（6）假如燒渣中的鐵全部視為Fe₂O₃，其含量為p．將b kg質量分數為c的硫酸加入到a kg燒渣中浸取，鐵的浸取率為q，
Fe₂O₃含量為P，akg燒渣中，Fe₂O₃質量為P×akg，鐵的浸取率為q，側參加反應的Fe₂O₃質量為P×akg×q，其物質的量=$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，bkg質量分數為c的硫酸中m（H₂SO₄）=c×bkg，其物質的量=$\frac{bc×1{0}^{3}g}{98g/mol}$mol，
第Ⅲ步應加入FeCO₃后，浸取時加入的硫酸、活化硫鐵礦還原Fe³⁺時生成的硫酸完全轉化為FeSO₄，
根據FeS₂～7Fe₂（S0₄）₃～7Fe₂O₃，可知參加反應的FeS₂的物質的量$\frac{1}{7}$×$\frac{（P×a×1{0}^{3}×q）g}{160g/mol}$，
根據硫元素守恒計算n_總（FeSO₄）=$\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．

點評 本題以化學工藝流程為載體，考查離子方程式書寫、離子檢驗、熱化學方程式書寫、電極反應式、化學計算等，需要學生熟練掌握元素化合物知識，（6）中計算為易錯點、難點，注意利用守恒法計算，避免計算繁瑣，較好的考查學生分析計算能力．