Question

8．化學在物質制備和環(huán)保領域有著重要的運用．
Ⅰ高鐵酸鹽在能源、環(huán)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(yè)上用濕法制備高鐵酸鉀（K₂FeO₄）的流程如圖1所示：
①反應I的化學方程式為2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O．
②反應II的離子方程式為3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O．
③已知25℃時Fe（OH）₃的K_sp=4.0×10^-38，反應II后溶液中c（Fe³⁺）=4×10^-5mol•L^-1，則Fe³⁺完全沉淀時的pH=3．
（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，在水中被還原生成Fe（OH）₃膠體、有吸附性起凈水作用．
（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）高鐵電池是正在研制中的可充電干電池，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(yōu)點有放電時間長、工作電壓穩(wěn)定．

Answer 1

分析 本題是利用濕法、干法制備高鐵酸鹽的原理的探究，涉及反應原理、氧化還原反應分析、利用溶度積的計算等，其中制備高鐵酸鹽是利用NaClO在堿性條件下的強氧化性將Fe³⁺氧化成FeO₄^2-，NaClO可通過氯氣溶于NaOH溶液得到，制得的高鐵酸鹽有強氧化性可做水的消毒劑，且其還原產物水解后得到的膠體能吸附懸浮物，可凈化水，根據氧化還原的反應可得到制備K₂FeO₄的反應中氧化劑與還原劑的物質的量之比為；
（1）①反應Ⅰ根據氯氣的化學性質，可寫出與氫氧化鈉溶液反應的化學方程式；
②反應Ⅱ：根據目標產物可知，Fe³⁺要被溶液里的ClO^-在堿性條件下氧化成高鐵酸鹽，可結合氧化還原反應的理論寫出此反應的離子方程式；
③25℃時Fe（OH）₃的K_sp=c（Fe³⁺）×c（OH^-）³，將c（Fe³⁺）=4×10^-5mol•L^-1代入可計算出c（OH^-），可得溶液的pH；
（2）高鐵酸鉀具有很強的氧化性，能殺菌消毒，在水中生成的Fe（OH）₃膠體，有吸附性；
（3）根據化合價的升降來判斷，化合價升高的為還原劑，化合價降低的為氧化劑，并根據化學計量數來分析氧化劑和還原劑的比例；
（4）由圖可知高鐵電池比高能堿性電池放電時間長，工作電壓穩(wěn)定；

解答 解：（1）①反應Ⅰ為氯氣溶解于氫氧化鈉溶液，發(fā)生歧化反應，化學方程式為2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O，故答案為：2NaOH+Cl₂═NaCl+NaClO+H₂O；
②反應Ⅱ為氧化還原反應，+3價鐵被氧化成+6價鐵，+1價的氯被氧化為-1價，反應的環(huán)境為堿性，化學方程式為3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，故答案為：3ClO^-+10OH^-+2Fe³⁺=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；
③已知K_sp=c（Fe³⁺）×c（OH^-）³=4.0×10^-38，溶液中c（Fe³⁺）=4×10^-5mol•L^-1時，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{4.0×1{0}^{-38}}{4×1{0}^{-5}}}=1{0}^{-11}mol/L$，此時溶液中的c（H+）=$\frac{1×1{0}^{-14}}{1{0}^{-11}}$mol/L=10^-3mol/L，溶液的pH=3，故答案為：3；
（2）高鐵酸鉀具有很強的氧化性，能殺菌消毒，在水中被還原得到Fe³⁺，水解生成Fe（OH）₃膠體，有吸附性，故答案為：高鐵酸鉀有強氧化性，能殺菌消毒，在水中被還原生成Fe（OH）₃膠體、有吸附性起凈水作用；
（3）干法制備K2FeO4的反應的方程式為：Fe₂O₃+3KNO₃+4KOH=2K₂FeO₄+3KNO₂+2H₂O，N元素化合價降低，是氧化劑，鐵的化合價降低，是還原劑，氧化劑與還原劑的物質的量之比為3﹕1，故答案為：3﹕1；
（4）由圖可知高鐵電池比高能堿性電池放電時間長，工作電壓穩(wěn)定，故答案為：放電時間長、工作電壓穩(wěn)定．

點評 實驗方案設計與評價是高考不變的一個題型，每年高考必考，是熱點題型、也是高考難點之一．本題主要考查了氧化還原反應和離子反應方程式的書寫、化學平衡的移動、膠體的凈水原理．重點是利用化合價的升價和化學計量數判斷氧化劑和還原劑的比例和有關溶度積的計算．