Question

5．工廠中用稀硫酸浸泡某礦石后的溶液中，除了含有大量硫酸外，還含有少量NH₄⁺、Fe³⁺、AsO₄^3-、Cl^-．為除去雜質離子，部分操作流程如圖：

請回答問題：
（1）用稀硫酸浸泡某礦石后的溶液中，硫酸的濃度為4.9g•L^-1，則該溶液中的pH約為1．
（2）NH₄⁺在用稀硫酸浸泡某礦石后的溶液中以（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl形式存在．現有一份（NH₄）₂SO₄溶液，一份NH₄Cl溶液，（NH₄）₂SO₄溶液中c（NH₄⁺）恰好是NH₄Cl溶液中c（NH₄⁺）的2倍，則c[（NH₄）₂SO₄]＜c（NH₄Cl）（填：＜、=或＞）．
（3）隨著向廢液中投入生石灰（忽略溶液溫度的變化），溶液中$\frac{[N{H}_{3}•{H}_{2}O]}{[O{H}^{-}]}$減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（4）投入生石灰調節pH到2～3時，大量沉淀主要成分為CaSO₄•2H₂O[含有少量Fe（OH）₃]，提純CaSO₄•2H₂O的主要操作步驟：向沉淀中加入過量稀硫酸，充分反應后，過濾、洗滌、干燥或晾干．
（5）25℃，H₃AsO₄電離常數為K₁=5.6×10^-3，K₂=1.7×10^-7，K₃=4.0×10^-12．當溶液中pH調節到8～9時，沉淀主要成分為Ca₃（AsO₄）₂．
①pH調節到8左右Ca₃（AsO₄）₂才開始沉淀的原因是H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節到8左右，c（AsO₄^3-）增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀．
②Na₃AsO₄第一步水解的平衡常數數值為：2.5×10^-3．
③已知：AsO₄^3-+2I^-+2H⁺=AsO₃^3-+I₂+H₂O，SO₂+I₂+2H₂O═SO₄^2-+2I^-+4H⁺．上述兩個反應中還原性最強的微粒是SO₂．

Answer 1

分析 硫酸廢液中含有大量硫酸外，還含有少量NH₄⁺、Fe³⁺、AsO₄^3-、Cl^-，加入生石灰，調節pH2～3，大量沉淀主要成分為CaSO₄•2H₂O[含有少量Fe（OH）₃]，濾液加入生石灰調節pH8～9，生成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，濾液主要含有（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl，
（1）硫酸的濃度為4.9g•L^-1，結合c=$\frac{n}{V}$=$\frac{\frac{m}{M}}{V}$計算；
（2）根據c（NH₄⁺）越大，NH₄⁺水解程度越小判斷；
（3）隨著向廢液中投入生石灰，c（OH^-）增大，c（NH₃•H₂O）減小；
（4）提純CaSO₄•2H₂O，可加入稀硫酸溶解Fe（OH）₃，并洗滌、干燥；
（5）①H₃AsO₄是弱酸電離出來的AsO₄^3-較少，所以酸性條件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀；
②依據水解常數與電離常數及Kw的關系計算；
③根據還原劑還原性大于還原產物的還原性判斷．

解答 解：硫酸廢液中含有大量硫酸外，還含有少量NH₄⁺、Fe³⁺、AsO₄^3-、Cl^-，加入生石灰，調節pH2～3，大量沉淀主要成分為CaSO₄•2H₂O[含有少量Fe（OH）₃]，濾液加入生石灰調節pH8～9，生成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，濾液主要含有（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl，
（1）硫酸的濃度為4.9g•L^-1，c（H₂SO₄）=$\frac{\frac{4.9g}{98g/mol}}{1L}$=0.05mol/L，c（H⁺）=0.1mol/L，pH=-lg0.1=1，故答案為：1；
（2）如c[（NH₄）₂SO₄]=c（NH₄Cl），則（NH₄）₂SO₄溶液中c（NH₄⁺）較大，因c（NH₄⁺）越大，NH₄⁺水解程度越小，則（NH₄）₂SO₄溶液中c（NH₄⁺）小于是NH₄Cl溶液中c（NH₄⁺）的2倍，如等于2倍，則c（NH₄Cl）應較大，
故答案為：＜；
（3）隨著向廢液中投入生石灰，c（OH^-）增大，c（NH₃•H₂O）減小，則溶液中$\frac{c（N{H}_{3}．{H}_{2}O）}{c（O{H}^{-}）}$減小，故答案為：減小；
（4）提純CaSO₄•2H₂O，可加入稀硫酸溶解Fe（OH）₃，且防止CaSO₄•2H₂O的溶解，過濾后洗滌、干燥，
故答案為：稀硫酸；晾干或干燥；
（5）①H₃AsO₄是弱酸電離出來的AsO₄^3-較少，所以酸性條件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，當溶液中pH調節到8左右時AsO₄^3-濃度增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀，
故答案為：H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節到8左右，c（AsO₄^3-）增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀；
②Na₃AsO₄的第一步水解的離子方程式為：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，該步水解的平衡常數Kh=$\frac{c（HAs{{O}_{4}}^{2-}）}{c（As{{O}_{4}}^{3-}）}$=$\frac{c（HAs{{O}_{4}}^{2-}）．c（O{H}^{-}）．c（{H}^{+}）}{c（As{{O}_{4}}^{3-}）．c（{H}^{+}）}$=$\frac{{K}_{w}}{{K}_{3}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{4.0×1{0}^{-12}}$=2.5×10^-3，
故答案為：2.5×10^-3；
 ③已知：AsO₄^3-+2I^-+2H⁺=AsO₃^3-+I₂+H₂O，SO₂+I₂+2H₂O=SO₄^2-+2I^-+4H⁺．還原劑還原性大于還原產物的還原性，則還原性SO₂＞I^-＞AsO₃^3-，兩個反應中還原性最強的微粒是SO₂，
故答案為：SO₂．

點評 本題考查較為綜合，側重于學生的分析、實驗和計算能力的考查，明確沉淀溶解平衡的溶度積常數、水解常數和電離常數的計算及離子方程式的書寫和沉淀的形成等是解本題關鍵，考查的知識點較多，題目難度中等．