Question

4．工業上以鉻鐵礦（主要成分為FeO•Cr₂O₃，還含有SiO₂、Al₂O₃雜質）為原料，常采用的固體堿熔氧化法制備K₂Cr₂O₇的流程如圖所示：

已知：i．NaFeO₂遇水強烈水解
ii．K₂Cr₂O₇在水中的溶解度隨溫度的升高而升高的程度大
iii．2CrO₄^2-（黃色）+2H⁺?TCr₂O₇^2-（橙色）+H₂O
請按要求回答下列問題：
（1）鉻鐵礦經粉碎處理的目的是增大反應物的表面積，提高反應速率；
步驟Ⅰ若在坩堝中進行，適合此實驗的坩堝種類是（填選項字母）A；
A．鐵坩堝B．氧化鋁坩堝C．石英坩堝D．陶瓷坩堝
（2）步驟Ⅱ水浸時有紅褐色沉淀生成，請用離子方程式表示此現象的原因：FeO₂^-+2H₂O=Fe（OH）₃↓+OH^-；濾液1的顏色為黃色．
（3）步驟Ⅲ選用CO₂調節pH，濾渣2的成分：H₂SiO₃、Al（OH）₃．
（4）從濾液2獲得b g K₂Cr₂O₇晶體時，步驟Ⅳ需歷經如下操作：
“酸化”至pH＜5→加適量KCl固體→蒸發濃縮→冷卻結晶→過濾→洗滌→干燥
①“酸化”至pH＜5的目的是除去濾液2中CO₃^2-或HCO₃^-、增大使c（H⁺）濃度，使2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O平衡正向移動，提高產率．
②此過程中能除去NaCl雜質的依據是K₂Cr₂O₇在水中的溶解度隨溫度的升高而升高的程度大，而NaCl則變化小，故將含K₂Cr₂O₇、NaCl的溶液蒸發、濃縮、冷卻時，結晶物中主要含有K₂Cr₂O₇．
③假設a g鉻鐵礦中鉻元素全部轉化到b g K₂Cr₂O₇（M_r=294）晶體中，則步驟Ⅰ中發生還原反應的氧氣的物質的量為$\frac{b}{168}$mo．

Answer 1

分析 鉻鐵礦主要成分為FeO•Cr₂O₃，含有SiO₂、Al₂O₃等雜質加入燒堿、純堿與足量空氣煅燒，發生4FeO•Cr₂O₃+7O₂+20NaOH$\frac{\underline{\;煅燒\;}}{\;}$8Na₂CrO₄+4NaFeO₂+10H₂O，生成Na₂CrO₄、NaFeO₂、Na₂SiO₃、NaOH和NaAlO₂的混合體系，然后加水溶解，三價鐵水解，NaFeO₂+2H₂O=Fe（OH）₃↓+NaOH，得固體氫氧化鐵濾渣1和濾液Na₂CrO₄、Na₂SiO₃、NaOH、NaAlO₂，再調節溶液的pH，使偏鋁酸鹽完全轉化為氫氧化鋁沉淀，硅酸鹽完全沉淀；過濾，使濾液酸化，使CrO₄^2-轉化為Cr₂O₇^2-，2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O，加KCl固體→蒸發濃縮→冷卻結晶→過濾→洗滌→干燥，得到K₂Cr₂O₇．
（1）鉻鐵礦經粉碎處理可增大固體表面積，增大反應速率，在坩堝中進行煅燒物質含有強堿氫氧化鈉，氫氧化鈉能和二氧化硅反應；
（2）紅褐色沉淀為氫氧化鐵，由FeO₂^-水解生成，濾液含有Na₂CrO₄，溶液呈黃色；
（3）濾渣2含有氫氧化鋁、硅酸等沉淀；
（4）①從濾液2獲得b g K₂Cr₂O₇晶體時，“酸化”至pH＜5，可除去CO₃^2-或HCO₃^-；增大使c（H⁺）濃度，使2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O平衡正向移動；
②加適量KCl固體，加熱濃縮，增大的K₂Cr₂O₇溶解度，因氯化鈉的溶解度隨溫度變化較小，冷卻結晶主要得到K₂Cr₂O₇，可除去氯化鈉雜質；
③根據化合價的變化計算轉移電子的物質的量，進而計算耗氧量．

解答 解：鉻鐵礦主要成分為FeO•Cr₂O₃，含有SiO₂、Al₂O₃等雜質加入燒堿、純堿與足量空氣煅燒，發生4FeO•Cr₂O₃+7O₂+20NaOH$\frac{\underline{\;煅燒\;}}{\;}$8Na₂CrO₄+4NaFeO₂+10H₂O，生成Na₂CrO₄、NaFeO₂、Na₂SiO₃、NaOH和NaAlO₂的混合體系，然后加水溶解，三價鐵水解，NaFeO₂+2H₂O=Fe（OH）₃↓+NaOH，得固體氫氧化鐵濾渣1和濾液Na₂CrO₄、Na₂SiO₃、NaOH、NaAlO₂，再調節溶液的pH，使偏鋁酸鹽完全轉化為氫氧化鋁沉淀，硅酸鹽完全沉淀；過濾，使濾液酸化，使CrO₄^2-轉化為Cr₂O₇^2-，2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O，加KCl固體→蒸發濃縮→冷卻結晶→過濾→洗滌→干燥，得到K₂Cr₂O₇．
（1）鉻鐵礦經粉碎處理可增大固體表面積，增大反應速率，
A．鐵坩堝含有鐵，鐵與氫氧化鈉不反應，故A正確；
B．三氧化二鋁能和氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉，故B錯誤；
C．石英中含有二氧化硅，二氧化硅能和氫氧化鈉反應，故C錯誤；
D．陶瓷中含有二氧化硅，二氧化硅能和氫氧化鈉反應，故D錯誤；
故答案為：增大反應物的表面積，提高反應速率；A；
（2）紅褐色沉淀為氫氧化鐵，由FeO₂^-水解生成，離子方程式為FeO₂^-+2H₂O=Fe（OH）₃↓+OH^-，濾液含有Na₂CrO₄，溶液呈黃色，
故答案為：FeO₂^-+2H₂O=Fe（OH）₃↓+OH^-；黃色；
（3）濾液Na₂CrO₄、Na₂SiO₃、NaOH、NaAlO₂，再調節溶液的pH，使偏鋁酸鹽完全轉化為氫氧化鋁沉淀，硅酸鹽完全沉淀，
故答案為：H₂SiO₃、Al（OH）₃；
（4）①從濾液2獲得b g K₂Cr₂O₇晶體時，“酸化”至pH＜5，可除去CO₃^2-或HCO₃^-；增大使c（H⁺）濃度，使2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O平衡正向移動，
故答案為：除去濾液2中CO₃^2-或HCO₃^-；增大使c（H⁺）濃度，使2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O平衡正向移動，提高產率；
②加適量KCl固體，加熱濃縮，增大的K₂Cr₂O₇溶解度，因氯化鈉的溶解度隨溫度變化較小，K₂Cr₂O₇在水中的溶解度隨溫度的升高而升高的程度大，而NaCl則變化小，故將含K₂Cr₂O₇、NaCl的溶液蒸發、濃縮、冷卻時，結晶物中主要含有K₂Cr₂O₇，
故答案為：K₂Cr₂O₇在水中的溶解度隨溫度的升高而升高的程度大，而NaCl則變化小，故將含K₂Cr₂O₇、NaCl的溶液蒸發、濃縮、冷卻時，結晶物中主要含有K₂Cr₂O₇；
③n（K₂Cr₂O₇）=$\frac{b}{294}$mol，則n（FeO•Cr₂O₃）=$\frac{b}{294}$mol，轉移電子的物質的量為$\frac{b}{294}$mol×（1+2×3）=$\frac{b}{42}$mol，需要氧氣的物質的量為$\frac{\frac{b}{42}}{4}$mol=$\frac{b}{168}$mol，
故答案為：$\frac{b}{168}$mol．

點評 本題考查了物質制備實驗方案的流程分析和產物判斷，題目難度中等，把握生產流程是解題的關鍵，注意物質之間的轉化，側重于考查學生的實驗探究能力和對基礎知識的綜合應用能力．