Question

8．高鐵酸鉀（K₂FeO₄）不僅是一種綠色高效多功能水處理劑，還是一種環保堿性電池的正極活性物質，應用前景十分廣闊．已知干燥的高鐵酸鉀穩定，但含有少量水分的高鐵酸鉀熱穩定性差．目前，國內外有關高鐵酸鉀的合成方法主要有：高溫氧化法（干法）、次氯酸鹽氧化法（濕法）和電解法．
（1）上述三種方法通常先制備Na₂FeO₄，再根據原理Na₂FeO₄（s）+2KOH=K₂FeO₄（s）+2NaOH在某低溫條件下制得K₂FeO₄，說明此溫度下Ksp（K₂FeO₄）＜Ksp（Na₂FeO₄）（填“＞”“=”或“＜”）
（2）干法是用Na₂O₂作為氧化劑，與FeSO₄在較高溫度下發生反應：
2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑
若該反應生成氧氣840mL（標準狀況下），則反應轉移的電子的物質的量為0.375mol．
（3）改進后的濕法可直接制備高鐵酸鉀，基本流程如圖所示：

①反應II的離子方程式為2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；該反應一般控制在30℃以下的原因是防止生成的高鐵酸鈉發生分解，抑制K₂FeO₄與水的反應．
②洗滌粗品時選用無水乙醇而不用水的原因是減少K₂FeO₄的溶解損失．
③反應的溫度、原料的濃度和配比對高鐵酸鉀的產率都有影響．圖1為不同的溫度下，不同質量濃度的Fe（NO₃）₃對K₂FeO₄生成率的影響；圖2為一定溫度下，Fe（NO₃）₃質量濃度最佳時，KClO濃度對K₂FeO₄的生成率的影響．則生產中最佳溫度為26℃，此時KClO與Fe（NO₃）₃兩種溶液的最佳質量濃度之比為5：6（填最簡整數比）．

（4）電解法是以鐵絲網為陽極電解NaOH溶液，然后在陽極液中加入50%的KOH溶液，充分反應后，過濾、用無水乙醇洗滌、干燥，即可制得K₂FeO₄．
①陽極的電極反應是Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O．
②電解過程中，維持電流強度為1A，電解15分鐘后，理論上消耗鐵0.26g．（已知F=96500C•mol^-1，結果保留2位有效數字）

Answer 1

分析 （1）相同溫度下，溶度積大的物質向溶度積小的物質轉化；
（2）反應2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑中，Fe元素化合價升高，FeSO₄為還原劑，反應中Na₂O₂的O元素化合價既升高又降低，則Na₂O₂既是氧化劑又是還原劑，結合元素化合價的變化計算轉移電子的數目；
（3）根據流程，得到高鐵酸鉀，工業上常采用NaClO氧化法生產，原理為：向氫氧化鉀中通入氯氣，可以得到次氯酸鉀溶液，調節pH，向其中加入硝酸鐵，次氯酸鉀可以將之氧化，3KClO+2Fe（NO₃）₃+10KOH=2K₂FeO₄↓+3KCl+6KNO₃+5H₂O，過濾，即可得到高鐵酸鉀，向其中加入氫氧化鉀固體，可以得到高鐵酸鉀，用無水乙醇洗滌，干燥得到高鐵酸鉀．
①氯氣與氫氧化鈉反應產生強氧化劑次氯酸鈉，硝酸鐵水解產生氫氧化鐵膠體，次氯酸鈉將氫氧化鐵氧化成高鐵酸鈉，據此寫出氧化過程的離子方程式；已知高鐵酸鹽熱穩定性差，在實際生產中一般控制反應溫度30℃以下，其原因是防止生成的高鐵酸鈉發生分解；
②洗滌晶體表面的雜質離子，同時減少K₂FeO₄晶體的損失；
③選擇K₂FeO₄的生成率最高的溫度；根據圖示求解Fe（NO₃）₃與NaClO兩種溶液最佳質量濃度之比；
（4）①由題目信息可知，鐵為陽極電解氫氧化鈉溶液，生成FeO₄^2-，由元素守恒還生成水；
②根據電子轉移計算鐵的質量．

解答 解：（1）相同溫度下，溶度積大的物質向溶度積小的物質轉化，所以K_sp（K₂FeO₄）＜K_sp（Na₂FeO₄），
故答案為：＜；        
（2）反應2FeSO₄+6Na₂O₂=2Na₂FeO₄+2Na₂O+2Na₂SO₄+O₂↑中，該反應中Fe元素化合價由+2價變為+6價、過氧化鈉中O元素化合價由-1價變為0價和+2價，所以Na₂FeO₄和氧氣為氧化產物，2 mol FeSO₄發生反應時，生成2molNa₂FeO₄，轉移8mol電子，同時生成1molO₂，反應中共有10mol電子轉移，若該反應生成氧氣840mL（標準狀況下），則反應轉移的電子的物質的量為$\frac{840mL×1{0}^{-3}L/mL}{22.4L/mol}×10mol$=0.375mol，
故答案為：0.375；
（3）①氯氣與氫氧化鉀反應產生強氧化劑次氯酸鉀，次氯酸鉀將鐵離子氧化成高鐵酸鉀，離子方程式為：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；已知高鐵酸鹽熱穩定性差，在實際生產中一般控制反應溫度30℃以下，其原因是防止生成的高鐵酸鈉發生分解，水解吸熱，控制反應溫度30℃以下也可抑制K₂FeO₄與水的反應，
故答案為：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O； 防止生成的高鐵酸鈉發生分解，抑制K₂FeO₄與水的反應；
②K₂FeO₄晶體溶于水，不溶于酒精，所以選用無水乙醇而不用水目的是洗滌晶體表面的雜質離子，同時減少K₂FeO₄晶體的損失，防止晶體溶解，影響產率；
故答案為：減少K₂FeO₄的溶解損失；
③由圖2可知，溫度在26℃時，K₂FeO₄的生成率最高，故工業生產中最佳溫度為26℃，在該溫度下生成高鐵酸鉀的產率最大，此時Fe（NO₃）₃與NaClO兩種溶液最佳質量濃度之比為$\frac{275}{330}$=$\frac{5}{6}$，
故答案為：26；$\frac{5}{6}$；
（4）①由題目信息可知，鐵為陽極電解氫氧化鈉溶液，生成FeO₄^2-，陽極電極反應式為Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
故答案為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；
 ②若維持電流強度為1A，電池工作15分鐘，通過電子為$\frac{1A×900s}{96500C/mol}$，則理論消耗鐵為$\frac{1A×900s}{96500C/mol}$×$\frac{1}{6}$×56g/mol≈0.087g，
故答案為：0.087．

點評 本題考查考查高鐵酸鉀的制備，側重考查閱讀題目獲取信息的能力、對工藝流程的理解與條件的選擇控制，題目難度中等，需要學生具有扎實的基礎知識與靈活運用知識解決問題的能力，解答本題時注意把握題給信息，學習中注重知識遷移能力的培養．