Question

14．高鐵酸鉀（K₂FeO₄）是一種高效多功能水處理劑，具有極強的氧化性．
（1）已知：4FeO₄^2-+10H₂O?4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑．K₂FeO₄在處理水的過程中所起的作用有K₂FeO₄具有強氧化性，能夠消毒殺菌；同時FeO₄^2- 被還原成Fe³⁺，Fe³⁺水解形成Fe（OH）₃膠體，能夠吸附水中懸浮雜．
同濃度的高鐵酸鉀在pH為4.74、7.00、11.50的水溶液中最穩定的是pH=11.50的溶液．
（2）高鐵酸鉀有以下幾種常見制備方法：

干法	Fe2O3、KNO3、KOH混合加熱共熔生成紫紅色高鐵酸鹽和KNO2等產物
濕法	強堿性介質中，Fe（NO3）3與NaClO反應生成紫紅色高鐵酸鹽溶液
電解法	制備中間產物Na2FeO4，再與KOH溶液反應

①干法制備K₂FeO₄的反應中，氧化劑與還原劑的物質的量之比為3：1．
②濕法制備中，若Fe（NO₃）₃加入過量，在堿性介質中K₂FeO₄與Fe³⁺發生氧化還原反應生成K₃FeO₄，此反應的離子方程式：2FeO₄^2-+Fe³⁺+8OH^-=3FeO₄^3-+4H₂O．
③制備中間產物Na₂FeO₄，可采用的裝置如圖所示，則陽極的電極反應式為Fe+8OH^--6e^-═FeO₄^2-+4H₂O．
（3）比亞迪雙模電動汽車使用高鐵電池供電，其總反應為：3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O $?_{充電}^{放電}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH 放電時負極附近PH變化Zn，正極反應為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃+5OH^-．
（4）25℃時，CaFeO₄的Ksp=4.54×l0^-9，若要使1000L含有2.0×l0^-4 mol•L^-lK₂FeO₄的廢水中的c（FeO₄^2-）有沉淀產生，理論上至少加入Ca（OH）₂的物質的量為2.27×10^-2mol．

Answer 1

分析 （1）高鐵酸鉀（K₂FeO₄）具有極強的氧化性，是一種優良的水處理劑，起到殺菌消毒作用，形成膠體具有吸附懸浮雜質的作用；依高鐵酸根離子水解平衡移動的影響因素解答；
（2）①Fe₂O₃、KNO₃、KOH混合加熱發生氧化還原反應，Fe元素化合價升高，化合價由+3價升高到+6價，被氧化，N元素化合價由+5價降低到+3價，依據氧化還原反應得失電子守恒規律計算；
②由信息可知，堿性介質中K₂FeO₄與Fe³⁺發生氧化還原反應生成K₃FeO₄，根據元素守恒還應生成H₂O，反應中FeO₄^2-→FeO₄^3-，鐵元素化合價由+6價降低為+5價，總共降低1價，Fe³⁺→FeO₄^3-，鐵元素化合價由+3價升高為+5價，總共升高2價，化合價升降最小公倍數為2，所以FeO₄^2-系數為2，Fe³⁺系數為1，根據鐵元素守恒確定FeO₄^3-系數，根據電荷守恒確定OH^-系數，根據氫元素守恒確定H₂O系數，檢查氧元素守恒，據此寫出氧化還原反應方程式；
③電解時陽極Fe失電子發生氧化反應，被氧化生成高鐵酸根離子；
（3）放電時，為原電池，依據3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，鋅化合價升高，發生氧化反應，做負極，高鐵酸根離子在正極得到電子，發生還原反應生成氫氧化鐵；
（4）依據溶度積規則，當Qc=Ksp達到沉淀溶解平衡，要產生沉淀則Qc＞Ksp，據此解答．

解答 解：（1）K₂FeO₄具有強氧化性，能夠消毒殺菌；同時FeO₄^2- 被還原成Fe³⁺，Fe³⁺水解形成Fe（OH）₃膠體，能夠吸附水中懸浮雜質；4FeO₄^2-+10H₂O?4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑，增大溶液中的氫氧根離子濃度，能夠使平衡逆向移動，抑制高鐵酸根離子的水解，所以同濃度的高鐵酸鉀在pH為11.50的水溶液中最穩定；
故答案為：K₂FeO₄具有強氧化性，能夠消毒殺菌；同時FeO₄^2- 被還原成Fe³⁺，Fe³⁺水解形成Fe（OH）₃膠體，能夠吸附水中懸浮雜；11.50；
（2）①Fe元素化合價升高，化合價由+3價升高到+6價，被氧化，Fe₂O₃做還原劑；N元素化合價由+5價降低到+3價，KNO₃做氧化劑，設氧化劑物質的量為xmol，還原劑物質的量為ymol，要使氧化劑得到電子總數等于還原劑失去電子總數，x×（5-3）=y×2×（6-3），解得x：y=3：1；
故答案為：3：1；
②由信息可知，堿性介質中K₂FeO₄與Fe³⁺發生氧化還原反應生成K₃FeO₄，根據元素守恒還應生成H₂O，反應中FeO₄^2-→FeO₄^3-，鐵元素化合價由+6價降低為+5價，總共降低1價，Fe³⁺→FeO₄^3-，鐵元素化合價由+3價升高為+5價，總共升高2價，化合價升降最小公倍數為2，所以FeO₄^2-系數為2，Fe³⁺系數為1，根據鐵元素守恒確定FeO₄^3-系數為3，根據電荷守恒確定OH^-系數8，根據氫元素守恒確定H₂O系數為4，反應離子方程式為2FeO₄^2-+Fe³⁺+8OH^-=3FeO₄^3-+4H₂O；
故答案為：2FeO₄^2-+Fe³⁺+8OH^-=3FeO₄^3-+4H₂O；
③電解時陽極Fe失電子發生氧化反應，電極反應方程式為Fe+8OH^--6e^-═FeO₄^2-+4H₂O；
故答案為：Fe+8OH^--6e^-═FeO₄^2-+4H₂O；
（3）放電時，為原電池，依據3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，鋅化合價升高，發生氧化反應，做負極，高鐵酸根離子在正極得到電子，發生還原反應生成氫氧化鐵，電極反應式為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃+5OH^-；
故答案為：Zn；FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃+5OH^-；
（4）設加入Ca（OH）₂的物質的量為xmol，則溶液中鈣離子濃度為x×10^-3mol/L，含有2.0×l0^-4 mol•L^-lK₂FeO₄的廢水中的c（FeO₄^2-）=2.0×l0^-4 mol•L^-l，
Qc=x×10^-3mol/L×2.0×l0^-4 mol•L^-l=Ksp=4.54×l0^-9；
解得：x=2.27×10^-2；
故答案為：2.27×10^-2．

點評 本題為綜合題，考查了氧化還原反應方程式的書寫及配平、電極反應式的書寫、溶度積規則的應用，題目難度較大，明確物質的性質及題給信息、熟悉化合物中各元素化合價、沉淀溶解平衡規律是解本題關鍵，氧化還原方程式的書寫是難點．