Question

10．聚合硫酸鋁鐵[Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n•xH₂0，簡稱PFAS]是一種新型高效水處理劑．以硫鐵礦燒渣（主要成分為F₃O₄，、FeO、SiO₂等）和粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等）為主要原料制備PFAS的工藝流程如下：

回答下列問題：
（1）堿溶時Al₂O₃發生反應的離子方程式為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O濾渣Ⅰ的主要成分為Fe₂O₃、FeO，對其處理方法是與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解加以利用
（2）濾液中的溶質主要是NaHCO₃酸溶I所得溶液中的溶質主要是Al₂（SO₄）₃（填化學式）
（3）氧化時應控制溫度不超過57℃，其原因是溫度過高，H₂O₂會分解
（4）聚合硫酸鋁鐵能夠凈水的原因是聚合硫酸鋁鐵溶于電離出Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性酸度對凈水效果和水質有顯著影響，若PFAS中殘留硫酸過多，使用時產生的不良后果是會抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質
（5）Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n•xH₂0中a、b、c間的關系為3a+3b=m+2n（用代數式表示）為了測定聚合硫酸鋁鐵的組成，進行如下實驗：
①準確稱取8.810g樣品溶于150 mLO.100 mol•L^-1稀硫酸．恰好完全反應后，加入BaCl₂溶液至沉淀 完全，過濾、洗滌、干燥至恒重，得到白色固體10.485 g
②另取相同質量的樣品，溶于過量的氫碘酸，以磁力攪拌機攪拌，充分反應后，以0.500 mol•L^-1的 Na₂S₂O₃溶液滴定至淺黃色，滴人幾滴淀粉溶液．再滴定至終點，消耗Na₂S₂O₃溶液20.00mL
已知：I₂+2Na₂S₂O₃═2NaI+Na₂S₂O₃，聚合硫酸鋁鐵的化學式為Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O．

Answer 1

分析 粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應，通入過量CO₂，發生的反應為CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再加入H₂SO₄時，其反應原理為2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，結晶得到Al₂（SO₄）₃晶體．硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫鐵礦燒渣中加入H₂SO₄，其方程式為FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅與硫酸不反應，加入過氧化氫氧化亞鐵鹽為鐵鹽，結晶Ⅰ結晶Ⅱ制備PFAS．
（1）加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解生成偏鋁酸鈉和水，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應，為充分利用Fe元素，將濾渣與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解；
（2）通入二氧化碳后得到氫氧化鋁沉淀，濾液中主要含有碳酸氫鈉；氫氧化鋁用硫酸溶解得到酸溶Ⅰ；
（3）H₂O₂氧化Fe²⁺時，溫度不能過高，其原因是溫度過高，H₂O₂會分解；
（4）PFAS溶于水產生Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性能凈水；
因為Fe³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以產品PFAS中硫酸殘留過多，會抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質
（5）根據電荷守恒可知a、b、m、n間的關系；
根據消耗的鹽酸計算n（OH^-），根據與BaCl₂反應沉淀的沉淀的質量求出n（SO₄^2-），根據與碘離子反應的關系求出n（Fe³⁺），根據電荷守恒計算n（Al³⁺），再根據總質量求出水的質量及物質的量，根據物質的量之比確定化學式．

解答 解：粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應，通入過量CO₂，發生的反應為CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再加入H₂SO₄時，其反應原理為2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，結晶得到Al₂（SO₄）₃晶體．硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫鐵礦燒渣中加入H₂SO₄，其方程式為FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅與硫酸不反應，加入過氧化氫氧化亞鐵鹽為鐵鹽，結晶Ⅰ結晶Ⅱ制備PFAS．
（1）氧化鋁為兩性氧化物，“堿溶”時Al₂O₃發生反應的濾渣化學方程式為：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應，濾渣Ⅰ的主要成分為Fe₂O₃、FeO，為充分利用Fe元素，將濾渣I與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解加以利用，
故答案為：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；Fe₂O₃、FeO；與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解加以利用；
（2）通入二氧化碳后得到氫氧化鋁沉淀，濾液中主要含有NaHCO₃；氫氧化鋁用硫酸溶解得到酸溶Ⅰ的溶質為Al₂（SO₄）₃，
故答案為：NaHCO₃；Al₂（SO₄）₃；
（3）H₂O₂將Fe²⁺為Fe³⁺，“氧化”時應控制溫度不超過57℃，其原因是溫度過高，H₂O₂會分解，
故答案為：溫度過高，H₂O₂會分解；
（4）聚合硫酸鋁鐵溶于電離出Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性，吸附懸浮物質而凈水；
因為Fe³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以產品PFAS中硫酸殘留過多，會抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質，
故答案為：聚合硫酸鋁鐵溶于電離出Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性；會抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質；
（5）根據電荷守恒，可知3a+3b=m+2n，
n（OH^-）=2n（H₂SO₄）=0.15L×0.100 mol•L^-1×2=0.03mol，
n（SO₄^2-）=n（BaSO₄）-n（H₂SO₄）=$\frac{10.485g}{233g/mol}$-0.15L×0.100 mol•L^-1=0.03mol，
已知：I₂+2Na₂S₂O₃=2NaI+Na₂S₄O₆，2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂，則2Fe³⁺～I₂～2Na₂S₂O₃，
n（Fe³⁺）=n（Na₂S₂O₃）=0.02L×0.500 mol•L^-1=0.01mol，
在Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n中離子所帶電荷守恒，
則n（Al³⁺）=$\frac{1}{3}$×（0.03mol+0.03mol×2-0.01mol×3）=0.02mol
8.810g樣品中水的質量：m（H₂O）=8.810g-0.02mol×27g•mol^-1-0.01mol×56 g•mol^-1-0.03mol×17 g•mol^-1-0.03mol×96 g•mol^-1=4.32 g，
則n（H₂O）=$\frac{4.32g}{18g/mol}$=0.24mol，
所以n（Al³⁺）：n（Fe³⁺）：n（OH^-）：n（SO₄^2-）：n（H₂O）=2：1：3：3：24
則硫酸鋁鐵的化學式為：Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O；
故答案為：3a+3b=m+2n；Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O．

點評 本題考查物質制備工藝流程、物質的組成的測定等，題目難度中等，側重于考查學生的分析能力和計算能力，是對學生綜合能力的考查．