Question

5．高鐵酸鹽在能源、環保等方面有著廣泛的用途．濕法、干法制備高鐵酸鹽的原理如下表所示．

濕法	強堿性介質中，Fe（NO3）3與NaClO反應生成紫紅色高鐵酸鹽溶液
干法	Fe2O3、KNO3、KOH混合加熱共熔生成紫紅色高鐵酸鹽和KNO2等產物

（1）工業上用濕法制備高鐵酸鉀（K₂FeO₄）的流程如圖1所示：
①實驗室制備Cl₂的化學方程式為MnO₂+4HCl（濃鹽酸）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O．
②反應I的化學方程式為2NaOH+Cl₂=NaCl+NaClO+H₂O．
③濕法制備高鐵酸鹽的離子方程式為3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O．
（2）高鐵酸鉀是一種理想的水處理劑，其處理水的原理為高鐵酸鉀有強氧化性，能殺菌消毒，產生的Fe（OH）₃膠體有吸附性，能吸附水中懸浮物質形成沉淀，從而凈化水．
（3）干法制備K₂FeO₄的反應中，氧化劑與還原劑的物質的量之比為3：1．
（4）高鐵電池是可充電電池，其反應為3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O$?_{充電}^{放電}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH．其正極的電極反應式為FeO₄^2-+4H₂O+3e^-=Fe（OH）₃+5OH^-陰極的電極反應式為Zn（OH）₂+2e^-=Zn+2OH^-
如圖2為該電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出的高鐵電池的優點有放電時間長，工作電壓穩定． 

Answer 1

分析 反應Ⅰ：2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O，反應Ⅱ：3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，將Na₂FeO₄粗產品在40%KOH溶液中溶解，過濾除去雜質NaCl，加入飽和KOH溶液后，將Na₂FeO₄轉化為溶解度更小的K₂FeO₄，反應方程式為Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷卻結晶，過濾，高鐵酸鉀易溶于水，難溶于異丙醇，用異丙醇代替水洗滌產品可以減少高鐵酸鉀的損耗，同時洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其它雜質，得到純產品高鐵酸鉀，
（1）①實驗室用濃鹽酸和二氧化錳在加熱條件下制取氯氣；
②反應I為氫氧化鈉和氯氣發生氧化還原反應生成NaCl、NaClO和水；
③次氯酸根離子和鐵離子、氫氧根離子發生氧化還原反應生成高鐵酸根離子、氯離子和水；
（2）高鐵酸鉀具有強氧化性，能殺菌消毒；反應生成的鐵離子水解生成的氫氧化鐵膠體，膠體具有吸附性，從而凈化水；
（3）根據含元素化合價升高的物質為還原劑，含元素化合價降低的物質為氧化劑，并利用化學反應方程式中的化學計量數來分析氧化劑與還原劑的物質的量之比；
（4）高鐵電池是可充電電池，其反應為3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O$?_{充電}^{放電}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，正極上高鐵離子得電子發生還原反應；陰極上氫氧化鋅得電子發生還原反應；
高鐵電池放電時間長，工作電壓穩定．

解答 解：反應Ⅰ：2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O，反應Ⅱ：3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，將Na₂FeO₄粗產品在40%KOH溶液中溶解，過濾除去雜質NaCl，加入飽和KOH溶液后，將Na₂FeO₄轉化為溶解度更小的K₂FeO₄，反應方程式為Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷卻結晶，過濾，高鐵酸鉀易溶于水，難溶于異丙醇，用異丙醇代替水洗滌產品可以減少高鐵酸鉀的損耗，同時洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其它雜質，得到純產品高鐵酸鉀，
（1）①實驗室用濃鹽酸和二氧化錳在加熱條件下制取氯氣，反應方程式為MnO₂+4HCl（濃鹽酸）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O，故答案為：MnO₂+4HCl（濃鹽酸）$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O；
②反應I為氫氧化鈉和氯氣發生氧化還原反應生成NaCl、NaClO和水，反應方程式為2NaOH+Cl₂=NaCl+NaClO+H₂O，故答案為：2NaOH+Cl₂=NaCl+NaClO+H₂O；
③次氯酸根離子和鐵離子、氫氧根離子發生氧化還原反應生成高鐵酸根離子、氯離子和水，離子方程式為3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，故答案為：3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；
（2）高鐵酸鉀具有強氧化性，能殺菌消毒；反應生成的鐵離子水解生成的氫氧化鐵膠體，膠體具有吸附性，從而凈化水，
故答案為高鐵酸鉀有強氧化性，能殺菌消毒；產生的Fe（OH）₃膠體有吸附性，能吸附水中懸浮物質形成沉淀，從而凈化水；
（3）Fe₂O₃+3KNO₃+4KOH═2K₂FeO₄+3KNO₂+2H₂O，氮元素的化合價降低，鐵元素的化合價升高，則KNO₃為氧化劑，Fe₂O₃為還原劑，氧化劑與還原劑的物質的量之比為3：1，故答案為：3：1；
（4）高鐵電池是可充電電池，其反應為3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O$?_{充電}^{放電}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，正極上高鐵離子得電子發生還原反應，電極反應式為FeO₄^2-+4H₂O+3e^-=Fe（OH）₃+5OH^-；陰極上氫氧化鋅得電子發生還原反應，電極反應式為Zn（OH）₂+2e^-=Zn+2OH^-；
高鐵電池放電時間長，工作電壓穩定，
故答案為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-=Fe（OH）₃+5OH^-；Zn（OH）₂+2e^-=Zn+2OH^-；放電時間長，工作電壓穩定．

點評 本題考查物質制備，為高頻考點，涉及原電池和電解池原理、氧化還原反應、氣體制備、鹽類水解等知識點，明確反應原理及物質性質是解本題關鍵，難點是電極反應式的書寫，題目難度中等．