Question

7．活性Fe₃O₄為黑色固體，有磁性，其不溶于水、堿和酒精、乙醚等有機(jī)溶劑中，F(xiàn)e₃O₄在潮濕的空氣中或高溫下易被O₂氧化．工業(yè)上利用銹蝕廢鐵為原料，利用共沉淀法制備活性Fe₃O₄（或?qū)憺镕eO•Fe₂O₃）的流程如圖：

（1）在制備過程中將塊狀固體原料粉碎磨成粉末，作用是有利于加快反應(yīng)池中反應(yīng)速率．
（2）設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案證明Fe₃O₄與鹽酸反應(yīng)的產(chǎn)物中含有Fe²⁺、Fe³⁺，簡述實(shí)驗(yàn)操作步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象取2份待檢液，其中一份待檢液滴入KSCN溶液，若顯示血紅色則含有Fe³⁺，再向另一份待檢液滴入酸性高錳酸鉀溶液，若紫紅色褪去則含有Fe²⁺．
（可供選擇的試劑：KSCN溶液、還原鐵粉、氯水、酸性高錳酸鉀溶液）
（3）假如在反應(yīng)池中幾乎沒有氣體產(chǎn)生，在合成池里所有鐵元素轉(zhuǎn)化為Fe₃O₄，則根據(jù)相關(guān)反應(yīng)可知，配料中心很可能使混合物中的Fe₂O₃與Fe物質(zhì)的量之比接近于4：1．
（4）在一次制備Fe₃O₄的實(shí)驗(yàn)中，由于配料中心反應(yīng)物比例控制不當(dāng)，獲得了另一種產(chǎn)品Fe_xO_y．取一定量該產(chǎn)品溶于足量鹽酸中，還需通入標(biāo)準(zhǔn)狀況下224mLCl₂才能把溶液中的Fe²⁺全部氧化為Fe³⁺，然后把所得溶液滴加足量NaOH溶液，將沉淀過濾、洗滌、蒸干，灼燒至恒重，得8g固體．計(jì)算該產(chǎn)品的化學(xué)式．（請(qǐng)寫出計(jì)算過程）

Answer 1

分析 利用銹蝕廢鐵為原料，利用共沉淀法制備活性Fe₃O₄：銹蝕廢鐵粉碎，增大固體的表面積，目的是增加反應(yīng)速率，三氧化二鐵與鐵單質(zhì)在酸性條件下反應(yīng)生成亞鐵離子，離子方程式為Fe₂O₃+Fe+6H⁺═3Fe²⁺+3H₂O，加入NaOH溶液在合成池中生成活性Fe₃O₄．
（1）固體的表面積越大，接觸面積越大，反應(yīng)速率越快；
（2）三價(jià)鐵遇到硫氰酸根離子顯血紅色，二價(jià)鐵離子具有還原性能夠被氧化劑氧化成三價(jià)鐵離子，可用自身指示劑的高錳酸鉀進(jìn)行檢驗(yàn)亞鐵離子；
（3）沒有氣體產(chǎn)生，說明鐵剛好使三價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為二價(jià)鐵，由于在1molFe₃O₄中可以認(rèn)為有二價(jià)的氧化亞鐵和三價(jià)的三氧化鐵各1mol，設(shè)Fe為Xmol，F(xiàn)e₂O₃為ymol，生成1molFe₃O₄，根據(jù)Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺解題；
（4）根據(jù)n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計(jì)算氯氣的物質(zhì)的量，氯氣氧化Fe²⁺為Fe³⁺，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算Fe²⁺的物質(zhì)的量．據(jù)此確定+2價(jià)鐵的物質(zhì)的量．最后所得溶液為氯化鐵溶液，蒸干溶液，灼燒至恒重，得8g固體為Fe₂O₃，根據(jù)n=$\frac{m}{M}$計(jì)算Fe₂O₃的物質(zhì)的量，利用鐵元素守恒計(jì)算+3價(jià)鐵的物質(zhì)的量，據(jù)此確定該產(chǎn)品化學(xué)式．

解答 解：（1）接觸面積越大，反應(yīng)速率越快，所以在工業(yè)生產(chǎn)中，將塊狀固體磨成粉末，增大固體的表面積，目的是增加反應(yīng)速率，
故答案為：有利于加快反應(yīng)池中反應(yīng)速率；
（2）Fe元素有+2價(jià)、+3價(jià)，三價(jià)鐵遇到硫氰酸根離子顯紅色，取2份待檢液，其中一份待檢液滴入KSCN溶液，若顯示血紅色則含有Fe³⁺，二價(jià)鐵離子具有還原性能夠被氧化劑氧化成三價(jià)鐵離子，高錳酸鉀溶液為紫紅色溶液，被還原劑還原后顯無色，所以，再向另一份待檢液滴入酸性高錳酸鉀溶液，若紫紅色褪去則含有Fe²⁺，
故答案為：取2份待檢液，其中一份待檢液滴入KSCN溶液，若顯示血紅色則含有Fe³⁺，再向另一份待檢液滴入酸性高錳酸鉀溶液，若紫紅色褪去則含有Fe²⁺；
（3）沒有氣體產(chǎn)生，說明鐵剛好使三價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為二價(jià)鐵，由于在1molFe₃O₄中可以認(rèn)為有二價(jià)的氧化亞鐵和三價(jià)的三氧化鐵各1mol，
設(shè)Fe為Xmol，F(xiàn)e₂O₃為ymol，生成1molFe₃O₄，根據(jù)Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺則有：
X+2Y=3     3X=1
解得：X=$\frac{1}{3}$；Y=$\frac{4}{3}$，故鐵和三氧化鐵的物質(zhì)的量為1：4，
故答案為：4：1；    
（4）氯氣的物質(zhì)的量為$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol，氯氣氧化Fe²⁺為Fe³⁺，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知Fe²⁺的物質(zhì)的量為$\frac{0.01mol×2}{1}$=0.02mol，故氧化物中+2價(jià)鐵的物質(zhì)的量為0.02mol，最后所得為氯化鐵溶液，蒸干溶液，灼燒至恒重，得8g固體為Fe₂O₃，F(xiàn)e₂O₃的物質(zhì)的量為$\frac{8g}{160g/mol}$=0.05mol，利用鐵元素守恒可知氧化物中+3價(jià)鐵的物質(zhì)的量為0.05mol×2-0.02mol=0.08mol，故FeO與Fe₂O₃的物質(zhì)的量之比為0.02mol：$\frac{0.08mol}{2}$=1：2，該產(chǎn)品化學(xué)式為Fe₅O₇或FeO•2Fe₂O₃，
故答案為：Fe₅O₇或FeO•2Fe₂O₃．

點(diǎn)評(píng) 本題以共沉淀法制備活性Fe₃O₄為載體考查物質(zhì)的分離、提純和除雜等實(shí)驗(yàn)問題，側(cè)重考查學(xué)生分析問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，題目難度中等，注意實(shí)驗(yàn)基本操作方法，把握實(shí)驗(yàn)原理．