Question

13．高鐵酸鹽在能源、環保等方面有著廣泛的用途．
I．高鐵酸鉀（ K₂FeO₄）不僅是一種理想的水處理劑，而且高鐵電池的研制也在進行中．如圖1是高鐵電池的模擬實驗裝置：

（1）該電池放電時正極的電極反應式為FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^- ；若維持電流強度為1A，電池工作十分鐘，理論消耗Zn0.2g（已知F=96500C/mol）．
（2）鹽橋中盛有飽和KC1溶液，此鹽橋中氯離子向右移動（填“左”或“右”）；若用陽離子交換膜代替鹽橋，則鉀離子向左移動（填“左”或“右”）．
（3）圖2為高鐵電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優點有使用時間長、工作電壓穩定．
Ⅱ．工業上濕法制備K₂FeO₄的工藝流程如圖3．

（4）完成“氧化”過程中反應的化學方程式：
2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，
其中氧化劑是NaClO（填化學式）．
（5）加入飽和KOH溶液的目的是減小高鐵酸鉀的溶解，促進高鐵酸鉀晶體析出．
（6）已知25℃時K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，此溫度下若在實驗室中配制Smol/L l00mL FeCl₃溶液，為使配制過程中不出現渾濁現象，則至少需要加入2.5mL 2mol/L的鹽酸（忽略加入鹽酸體積）．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）根據電池裝置，Zn做負極，C為正極，高鐵酸鉀的氧化性很強，正極上高鐵酸鉀發生還原反應生成Fe（OH）₃；根據電子轉移計算Zn的質量；
（2）鹽橋可起到平衡電荷，陰離子向負極移動，陽離子向正極移動；
（3）由圖可知高鐵電池的優點有：使用時間長、工作電壓穩定；
Ⅱ．氯化鐵溶液中加入次氯酸鈉和氫氧化鈉，發生反應為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+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和其他雜質，得到純產品高鐵酸鉀．
（4）其中Fe元素化合價由+3價升高為+6價，共升高3價，Cl元素化合價由+1價降低為-1，價，共降低2價，化合價升降最小公倍數為6，則FeCl₃的系數為2、NaClO的系數為3，再根據原子守恒配平；所含元素化合價降低的反應物是氧化劑；
（5）加入飽和KOH溶液可以增大K⁺的濃度，減小高鐵酸鉀的溶解，促進高鐵酸鉀晶體析出；
（6）根據K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38計算開始沉淀時c（OH^-），再根據水的離子積計算溶液中c（H⁺），根據稀釋定律計算需要鹽酸的體積．

解答 解：Ⅰ．（1）根據電池裝置，Zn做負極，C為正極，高鐵酸鉀的氧化性很強，正極上高鐵酸鉀發生還原反應生成Fe（OH）₃，正極電極反應式為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-，若維持電流強度為1A，電池工作十分鐘，通過電子為$\frac{1A×600s}{96500C/mol}$，則理論消耗Zn為$\frac{1A×600s}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.2g，
故答案為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-；0.2；
（2）鹽橋中陰離子移向負極移動，鹽橋起的作用是使兩個半電池連成一個通路，使兩溶液保持電中性，起到平衡電荷，構成閉合回路，放電時鹽橋中氯離子向右移動，用某種高分子材料制成陽離子交換膜代替鹽橋，則鉀離子向左移動，
故答案為：右；左；
（3）由圖可知高鐵電池的優點有：使用時間長、工作電壓穩定，
故答案為：使用時間長、工作電壓穩定；
Ⅱ．氯化鐵溶液中加入次氯酸鈉和氫氧化鈉，發生反應為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+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和其他雜質，得到純產品高鐵酸鉀．
（4）其中Fe元素化合價由+3價升高為+6價，共升高3價，Cl元素化合價由+1價降低為-1，價，共降低2價，化合價升降最小公倍數為6，則FeCl₃的系數為2、NaClO的系數為3，再根據原子守恒配平后反應方程式為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO═2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，NaClO是氧化劑，
故答案為：2、10、3、2、9、5；NaClO；
（5）加入飽和KOH溶液可以增大K⁺的濃度，減小高鐵酸鉀的溶解，促進高鐵酸鉀晶體析出，
故答案為：減小高鐵酸鉀的溶解，促進高鐵酸鉀晶體析出；
（6）溶液中c（Fe³⁺）=5mol/L，根據K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38，可知開始沉淀時c（OH^-）=2×10^-13mol/L，則溶液中c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-13}}$mol/L=0.05mol/L，根據稀釋定律，需要鹽酸的體積為$\frac{0.05mol/L×100ml}{2mol/L}$=2.5mL，
故答案為：2.5．

點評 本題考查原電池工作原理、物質制備工藝流程，側重考查物質制備方法的分析應用，掌握物質性質和平衡移動原理以及化學電池工作原理是解題關鍵，（1）中電極反應式書寫為難點，題目應該給出一定的信息，題目難度中等．