Question

1．新型電池在飛速發展的信息技術中發揮著越來越重要的作用．Li₂FeSiO₄是極具發展潛力的新型鋰離子電池電極材料，在蘋果的幾款最新型的產品中已經有了一定程度的應用．其中一種制備Li₂FeSiO₄的方法為：
固相法：2Li₂SiO₃+FeSO₄$\frac{\underline{\;惰性氣體\;}}{高溫}$Li₂FeSiO₄+Li₂SO₄+SiO₂
某學習小組按如下實驗流程制備Li₂FeSiO₄并測定所得產品中Li₂FeSiO₄的含量．
實驗（一）制備流程：

實驗（二） Li₂FeSiO₄含量測定：

從儀器B中取20.00mL溶液至錐形瓶中，另取0.2000mol•Lˉ¹的酸性KMnO₄標準溶液裝入儀器C中，用氧化還原滴定法測定Fe²⁺含量．相關反應為：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O，雜質不與酸性KMnO₄標準溶液反應．經4次滴定，每次消耗KMnO₄溶液的體積如下：

實驗序號	1	2	3	4
消耗KMnO4溶液體積	20.00mL	19.98mL	21.38mL	20.02mL

（1）實驗（一） 中：①操作Ⅱ的步驟為蒸發濃縮，降溫結晶，過濾
②制備Li₂FeSiO₄時必須在惰性氣體氛圍中進行，其原因是防止二價鐵被氧化
（2）實驗（二） 中：①儀器名稱：儀器C酸式滴定管
②還原劑A可用SO₂，寫出該反應的離子方程式SO₂+2Fe³⁺+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，此時“后續處理”主要為加熱煮沸，其目的是除去過量的SO₂，以免影響后面Fe²⁺的測定
③滴定終點時現象為溶液變為淺紅色，且半分鐘內不變色；根據滴定結果，可確定產品中Li₂FeSiO₄的質量分數為81.00%；若滴定前滴定管尖嘴處有氣泡，滴定后消失，會使測得的Li₂FeSiO₄含量偏高（填“偏高”、“偏低”或“不變”）．

Answer 1

分析 實驗（一）制備流程：廢鐵屑加入稀硫酸過濾得到溶液中通過蒸發濃縮，降溫結晶，過濾洗滌得到FeSO₄•7H₂O，隔絕空氣加熱分解得到硫酸亞鐵固體，和Li₂SiO₃反應得到Li₂FeSiO₄，
實驗（二） Li₂FeSiO₄含量測定：取20.00g產品灼燒后加入足量稀硫酸溶解溶液轉移到燒杯中，加入足量還原劑A可用SO₂，還原鐵離子為亞鐵離子，
加熱煮沸除去過量的SO₂，以免影響后面Fe²⁺的測定，轉移到儀器B為100ml容量瓶中配制得到準確體積和濃度的溶液，從儀器B中取20.00mL溶液至錐形瓶中，另取0.2000mol•Lˉ¹的酸性KMnO₄標準溶液裝入儀器C中，用氧化還原滴定法測定Fe²⁺含量．相關反應為：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O，雜質不與酸性KMnO₄標準溶液反應，測定溶液體積，結合化學方程式定量關系計算，
（1）①操作Ⅱ是溶液中得到硫酸亞鐵晶體的實驗操作，蒸發濃縮，冷卻結晶，過濾洗滌得到；
依據亞鐵離子具有還原性分析；
（2）①實驗二中儀器B為配制溶液需要的容量瓶，儀器C為滴定實驗所用的標準溶液，標準溶液為高錳酸鉀溶液具有氧化性需要盛放在酸式滴定管中；
②還原劑A可用SO₂，二氧化硫具有還原性被鐵離子氧化為硫酸，此時后續操作應除去過量的SO₂；
③滴定實驗反應終點的判斷是依據高錳酸鉀溶液滴入最后一滴溶液呈淺紅色且半分鐘不變化，依據反應定量關系和實驗數據計算產品中Li₂FeSiO₄的質量分數，滴定前酸式滴定管尖端氣泡未排除，滴定后氣泡消失，會造成V（標準）偏大，會造成c（待測）偏高；

解答 解：（1）①操作Ⅱ是溶液中得到硫酸亞鐵晶體的實驗操作，蒸發濃縮，降溫結晶，過濾洗滌得到，
故答案為：蒸發濃縮，降溫結晶，過濾；
②固相法中制備Li₂FeSiO₄的過程必須在惰性氣體氛圍中進行，因為亞鐵離子具有還原性，易被氧化，所以惰性氣體氛圍中是為了防止亞鐵離子被氧化，
故答案為：防止二價鐵被氧化；
（2）①實驗二中儀器B為配制溶液需要的容量瓶，得到含Fe²⁺離子的溶液100ml，需要儀器為100ml容量瓶，儀器C中為滴定實驗所用的標準溶液，標準溶液為高錳酸鉀溶液具有氧化性能腐蝕橡膠管，需要盛放在酸式滴定管中，名稱為酸式滴定管，
故答案為：酸式滴定管；
②還原劑A可用SO₂，二氧化硫具有還原性被鐵離子氧化為硫酸，反應的離子方程式為：SO₂+2Fe³⁺+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，此時后續操作應除去過量的SO₂以免影響后面Fe²⁺的測定，
故答案為：SO₂+2Fe³⁺+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺；除去過量的SO₂，以免影響后面Fe²⁺的測定；
③滴定實驗反應終點的判斷是依據高錳酸鉀溶液滴入最后一滴溶液呈淺紅色且半分鐘不變化，從儀器B中取20.00mL溶液至錐形瓶中，另取0.2000mol•Lˉ¹的酸性KMnO₄標準溶液裝入儀器C中，用氧化還原滴定法測定Fe²⁺含量．相關反應為：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O，雜質不與酸性KMnO₄標準溶液反應．消耗高錳酸鉀溶液體積第3次誤差較大舍去，計算平均消耗溶液體積，結合離子反應的定量關系計算，V（標準）=$\frac{20.00+19.98+20.02}{3}$ml=20.00ml，鐵元素守恒計算
MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O
5Li₂FeSiO₄～5Fe²⁺～MnO₄^-，
5                                 1
n                  0.2000mol/L×0.020L
n=0.0200mol
100ml溶液中含物質的量=0.0200mol×$\frac{100}{20}$=0.1000mol，
產品中Li₂FeSiO₄的質量分數=$\frac{0.1mol×162g/mol}{20.00g}$×100%=81.00%，
滴定前酸式滴定管尖端氣泡未排除，滴定后氣泡消失，會造成V（標準）偏大，會造成c（待測）偏高，
故答案為：溶液變為淺紅色，且半分鐘內不變色；81.00%；偏高；

點評 本題考查了物質制備、物質含量測定和滴定實驗過程的分析應用，注意實驗基本操作的理解應用，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．