Question

1．隨著能源問題的進一步突出，開發(fā)氫能是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的需要．利用化學循環(huán)工藝制取氫氣的研究受到許多發(fā)達國家的青睞．
Ⅰ．硫酸工業(yè)尾氣中含有的SO₂，可通過下列碘循環(huán)工藝過程制得氫氣．

（1）硫酸工業(yè)上，煅燒黃鐵礦制取SO₂是在沸騰爐（填設備名稱）中進行；煅燒產(chǎn)生的大量爐渣常用于煉鐵，煉鐵的主要原理是（用化學方程式表示）Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂．
（2）為了促進碘溶解，促使反應充分進行，刻在反應器A中加入適量的乙醇（填“苯”、“乙醇”或“四氧化碳”）；反應器C中HI受熱分解時，需要不斷將H₂分離出來，其目的是減小H₂濃度，使平衡正向移動，提高HI的分解率．
Ⅱ．最近研究發(fā)現(xiàn)，復合氧化物鐵酸錳（MnFe₂O₄）應用于熱化學循環(huán)分解水，也可制得氫氣．其中MnFe₂O₄的制備流程如下：

（3）原料Fe（NO₃）_n中n=3，投入Fe（NO₃）_n和Mn（no₃）₂的物質(zhì)的量之比為2：1．
（4）步驟2中“沉淀共生‘是指來那個中氫氧化物沉淀共同生成，則步驟5中”高溫煅燒“的化學方程式為Mn（OH）₂+2Fe（OH）₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$MnFe₂O₄+4H₂O．
（5）熱化學循環(huán)分解制取氫氣的機理為：
2MnFe₂O₄$\frac{\underline{\;＞730℃\;}}{\;}$2MnFe₂O_4-x+xO₂↑；MnFe₂O_4-x+xH₂O═MnFe₂O₄+xH₂↑．
下列對該反應機理的特點和優(yōu)點的說法中，正確的是AD（填序號）．
A．該反應過程簡單，物料可以循環(huán)使用
B．該過程的總反應中，焓增大，熵減少
C．貼錳酸鉀降低水分解反應熱，減小能耗
D．氫氣、氧氣分步生成，安全且易分離
（6）若MnFe₂O_4-x中x=0.7，則MnFe₂O_4-x中Fe³⁺占全部鐵元素的百分數(shù)為30%．

Answer 1

分析 Ⅰ．用硫鐵礦（FeS₂）燃燒產(chǎn)生的SO₂來制硫酸，在反應器A中發(fā)生反應：SO₂+I₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，在分離器B中：分離出H₂SO₄，反應器C中的反應為：2HI?I₂+H₂，將兩個方程式相加得總反應為：SO₂+2H₂O=H₂SO₄+H₂．
（1）硫酸工業(yè)上，煅燒黃鐵礦制取SO₂是在沸騰爐中；用CO還原氧化鐵煉鐵；
（2）碘易溶于苯和四氯化碳，但苯和四氯化碳與水不反應，也不溶于水，碘易溶于酒精，且酒精與水能以任意比互溶，根據(jù)平衡移動的原理來分析，將H₂分離出來有利于平衡向右移動，利于I₂和H₂的生成；
Ⅱ．（3）根據(jù)MnFe₂O₄的制備流程，可知Mn、Fe的化合價未變，Mn（NO₃）₂中Mn的化合價為+2，則MnFe₂O₄中Fe的化合價為+3，從而求出Fe（NO₃）_n中的n，
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的個數(shù)之比為1：2，根據(jù)質(zhì)量守恒，求出原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂的物質(zhì)的量之比；
（4）步驟2中“沉淀共生”生成Mn（OH）₂、Fe（OH）₃沉淀，高溫煅燒生成MnFe₂O₄，據(jù)此書寫方程式；
（5）該熱化學循環(huán)制取氫氣的優(yōu)點是過程簡單、無污染、物料可循環(huán)使用、氧氣和氫氣在不同步驟生成，安全且易分離；
（6）根據(jù)鐵的總價態(tài)不變，用方程組來解決．

解答 解：（1）硫酸工業(yè)上，煅燒黃鐵礦制取SO₂是在沸騰爐中；用CO還原氧化鐵煉鐵，方程式為：Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
故答案為：沸騰爐；Fe₂O₃+3CO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2Fe+3CO₂；
（2）碘易溶于苯和四氯化碳，但苯和四氯化碳與水不反應，也不溶于水，無法促進碘和二氧化硫的反應，碘易溶于酒精，且酒精與水能以任意比互溶，所以為了促進碘溶解，促使反應充分進行，刻在反應器A中加入適量的乙醇，在膜分離器中發(fā)生反應：2HI?I₂+H₂，將H₂分離出來有利于平衡向右移動，利于I₂和H₂的生成，提高HI的分解率，
故答案為：乙醇；減小H₂濃度，使平衡正向移動，提高HI的分解率；
Ⅱ．（3）Mn為+2價，則MnFe₂O₄中Fe的化合價為+3價，則Fe（NO₃）_n中n=3；
由MnFe₂O₄中可知：Fe和Mn的個數(shù)之比為2：1，所以Fe（NO₃）₃與Mn（NO₃）₂ 二者的物質(zhì)的量之比 2：1，
故答案為：3； 2：1；
（4）原料Fe（NO₃）_n和Mn（NO₃）₂，Mn為+2價，F(xiàn)e的化合價為+3價，F(xiàn)e（NO₃）₃和Mn（NO₃）₂和氫氧化鉀反應，生成Mn（OH）₂、Fe（OH）₃沉淀，高溫煅燒生成MnFe₂O₄，反應為：Mn（OH）₂+2Fe（OH）₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$MnFe₂O₄+4H₂O，
故答案為：Mn（OH）₂+2Fe（OH）₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$MnFe₂O₄+4H₂O；
（5）A．從反應機理的方程式可知，該反應過程簡單，物料MnFe₂O₄可循環(huán)使用，故A正確；
B．該過程的總反應為2H₂O═O₂↑+2H₂↑，為氣體體積增大的反應，為吸熱反應，所以焓增大，熵增大，故B錯誤；
C．第一步需730℃以上的溫度，能耗消耗高，故C錯誤；
D．氧氣和氫氣在不同步驟生成，不存在高溫氣體分離的問題，安全且易分離，故D正確；
故答案為：AD；
（6）x=0.7時，鐵的總價態(tài)為（4-0.7）×2-2=4.6，設1mol MnFe₂O_4-0.7中含F(xiàn)e²⁺、Fe³⁺物質(zhì)的量分別為xmol、ymol，則有：x+y=2，2x+3y=4.6，解得：x=1.4，y=0.6，
則1 mol MnFe₂O_4-0.7中含F(xiàn)e³⁺的物質(zhì)的量為0.6 mol，則Fe³⁺占的百分率為$\frac{0.6}{2}$×100%=30%，
故答案為：30%．

點評 本題綜合考查物質(zhì)的制備、分離以及元素化合物知識的綜合理解和運用，為高頻考點，側(cè)重于學生的分析能力和計算能力的考查，注意把握物質(zhì)的性質(zhì)以及流程原理，題目難度中等．