Question

17．霧霾嚴重影響人們的生活與健康，某地區的霧霾中可能含有如下離子中的若干種，NH₄、Ba²⁺、Fe²⁺、Cl、NO${\;}_{3}^{-}$、CO${\;}_{3}^{2-}$、SO${\;}_{4}^{2-}$．某同學收集了該地區的霧霾，經必要的預處理后得到試樣溶液，設計并完成如下實驗：

已知：①25℃時，Ksp[Fe（OH）₂]=8.0×10^-16，Ksp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38、lg2=0.3
     ②離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1時，即可認為該離子沉淀完全．
試回答下列問題：
（1）實驗①中加入稀鹽酸后，有無色氣體A生成，溶液B依然澄清，且溶液中陰離子種類不變，據此可知原溶液中一定含有Fe²⁺、Cl^-、NO₃^-，一定不含CO₃^2-．（填離子符號）
（2）實驗①中發生反應的離子方程式為3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O．
（3）實驗②中逐滴加入碳酸氫鈉溶液，立即有氣泡產生，此時的離子方程式為H⁺+HCO₃^-=H₂O+CO₂↑，一段時間后又有沉淀出現，這時的離子方程式為Fe³⁺+3HCO₃^-=Fe（OH）₃↓+3CO₂↑，繼續滴加直到沉淀的質量達到最大值，此時溶液的PH約為3.2，繼續滴加，使碳酸氫鈉溶液略過量．
（4）氣體F的成分為NH₃．（填化學式）
（5）根據實驗③現象該同學認為原溶液中一定含有SO${\;}_{4}^{2-}$，有其他同學認為其結論不合理，又進行了后續實驗④，最終確認原溶液中含有SO${\;}_{4}^{2-}$，試寫出實驗④可行的操作方法及現象．

Answer 1

分析 （1）實驗①中加入稀鹽酸后，有無色氣體A生成，該氣體可能為二氧化碳或NO，由于鹽酸過量且溶液中陰離子種類不變，則生成的氣體為NO，溶液中一定含有Fe²⁺、NO₃^-、Cl^-，且NO₃^-過量；根據離子共存可知一定不存在CO₃^2-；
（2）硝酸根離子在酸性條件下具有強氧化性，能夠將亞鐵離子氧化成鐵離子，同時生成NO氣體，據此寫出反應的離子方程式；
（3）實驗①中鹽酸足量，則溶液B中含有過量的氫離子，加入碳酸氫鈉后發生反應為：H⁺+HCO₃^-=H₂O+CO₂↑；溶液B中還含有Fe³⁺，當氫離子反應完全后，鐵離子與碳酸氫根離子發生雙水解反應生成氫氧化鐵沉淀和二氧化碳氣體；
當Fe^3+-完全反應時，其離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1，根據K_sP[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38=c（Fe³⁺）•c³（OH^-）列式計算；
（4）溶液D中加入氫氧化鋇溶液加熱后生成氣體F、沉淀G和溶液H，氣體F為氨氣，由于碳酸氫鈉過量，則沉淀G中一定含有碳酸鋇，可能含有硫酸鋇；
（5）由于碳酸氫鈉過量，則生成的沉淀中不一定含有硫酸鋇，需要通過對沉淀G進一步檢驗，可向沉淀G中加入稀硝酸，若沉淀部分溶解，則說明原溶液中一定含有了酸根離子．

解答 解：（1）實驗①中加入稀鹽酸后，有無色氣體A生成，該氣體可能為CO₂或NO，由于鹽酸過量且反應后溶液中陰離子種類不變，則生成的氣體為NO，溶液中一定含有Fe²⁺、Cl^-、NO₃^-，且NO₃^-過量；根據離子共存可知一定不存在CO₃^2-，
故答案為：Fe²⁺、Cl^-、NO₃^-；CO₃^2-；
（2）實驗①中亞鐵離子與稀硝酸反應生成硝酸鐵和一氧化氮和水，反應的離子反應方程式為：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O，
故答案為：3Fe²⁺+NO₃^-+4H⁺=3Fe³⁺+NO↑+2H₂O；
（3）實驗①加入足量鹽酸，則溶液B中含有過量的氫離子，加入碳酸氫鈉后發生反應的離子方程式為：H⁺+HCO₃^-=H₂O+CO₂↑；溶液B中還含有Fe³⁺，氫離子反應完全后，鐵離子與碳酸氫根離子發生雙水解反應生成氫氧化鐵沉淀和二氧化碳氣體，反應的離子方程式為：Fe³⁺+3HCO₃^-=Fe（OH）₃↓+3CO₂↑；當Fe^3+-完全反應時，其離子濃度小于1×10^-5mol•L^-1，根據K_sP[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38=c（Fe³⁺）•c³（OH^-）可得：c（OH^-）=$\root{3}{\frac{4×1{0}^{-38}}{1×1{0}^{-5}}}$mol/L=$\root{3}{4}$×10^-11mol/L，溶液中氫離子濃度：$\frac{1×1{0}^{-14}}{\root{3}{4}×1{0}^{-11}}$mol/L=$\frac{1×1{0}^{-3}}{\root{3}{4}}$，則此時溶液的pH=-lg$\frac{1×1{0}^{-3}}{\root{3}{4}}$=3+lg$\root{3}{4}$=3+$\frac{2}{3}$lg2=3.2，
故答案為：H⁺+HCO₃^-=H₂O+CO₂↑；Fe³⁺+3HCO₃^-=Fe（OH）₃↓+3CO₂↑；3.2；
（4）溶液D中加入足量Ba（OH）₂溶液加熱后生成氣體F、沉淀G和溶液H，氣體F為NH₃，由于實驗②中NaHCO₃足量，則沉淀G中一定含有BaCO₃，可能含有BaSO₄，
故答案為：NH₃；
（5）由于實驗②中NaHCO₃足量，則實驗③的沉淀G中一定含有沉淀BaCO₃，不能確定是否含有BaSO₄，需要進行后續實驗④，可向沉淀G中加入足量的稀硝酸，若沉淀部分溶解，則證明原溶液中含有SO₄^2-，
答：向沉淀G中加入足量的稀硝酸，若沉淀部分溶解，則證明原溶液中含有SO₄^2-．

點評 本題考查了化學實驗基本操作方法及其綜合應用，題目難度中等，涉及離子推斷、難溶物溶度積的計算、離子方程式書寫、常見離子的檢驗等知識，明確常見化學實驗基本操作方法為解答關鍵，試題知識點較多、綜合性及其，充分考查了學生的靈活應用能力．