Question

【題目】某硫酸工廠的酸性廢水中砷（As）元素含量極高，為控制砷的排放，采用化學沉降法處理含砷廢水，工藝流程如下：

相關數(shù)據如下表，請回答以下問題：

表1．幾種鹽的Ksp

難溶物	Ksp
Ca3(AsO4)2	6.8×10－19
CaSO4	9.1×10－6
FeAsO4	5.7×10－21

表2．工廠污染物排放濃度及允許排放標準

污染物	H2SO4	As
廢水濃度	29.4g/L	1.6g·L－1
排放標準	pH 6～9	0.5mg·L－1

（1）該硫酸工廠排放的廢水中硫酸的物質的量濃度c(H2SO4)= mol·L－1。

（2）若酸性廢水中Fe3+的濃度為1.0×10－4mol·L－1，c(AsO43－)= mol·L－1。

（3）工廠排放出的酸性廢水中的三價砷（H3AsO3弱酸）不易沉降，可投入MnO2先將其氧化成五價砷（H3AsO4弱酸），MnO2被還原為Mn2＋，反應的離子方程式為 。

（4）在處理含砷廢水時采用分段式，先向廢水中投入生石灰調節(jié)pH到2，再投入生石灰將pH調節(jié)到8左右使五價砷以Ca3(AsO4)2形式沉降。

①將pH調節(jié)到2時廢水中有大量沉淀產生，沉淀主要成分的化學式為 ；

②Ca3(AsO4)2在pH調節(jié)到8左右才開始沉淀，原因為

。

③砷酸（H3AsO4）分步電離的平衡常數(shù)(25℃)為：K1=5.6×10－3 K2=1.7×10－7 K3=4.0×10－12，第三步電離的平衡常數(shù)的表達式為K3= 。Na3AsO4的第一步水解的離子方程式為：AsO43－+H2OHAsO42－+OH－，該步水解的平衡常數(shù)（25℃）為： （保留兩位有效數(shù)字）。

Answer 1

【答案】（17分）

（1）0.3 （2分）

（2）5.7×10－17（2分）

（3）2H＋+MnO2+H3AsO3==H3AsO4+Mn2＋+H2O （3分）

（4）①CaSO4 （2分）

②H3AsO4是弱酸，當溶液中pH調節(jié)到8左右，c(AsO43－)增大，Ca3(AsO4)2開始沉淀（3分）[或：pH增大，促進H3AsO4電離，c(AsO43－)增大，Qc=c3(Ca2＋)·c2(AsO43－)≥Ksp[Ca3(AsO4)2，Ca3(AsO4)2才沉淀]

③ （2分） 2.5×10－3（3分）

【解析】

試題分析：（1）讀表2中信息，以1L廢水為研究對象，其中含有29.4gH2SO4，由于硫酸的相對分子質量為98，m/M=n，則n(H2SO4)=29.4g÷98g/mol=0.3mol，由于c=n/V，則c(H2SO4)=0.3mol÷1L=0.3mol/L；（2）FeAsO4是難溶鹽，廢水中存在其沉淀溶解平衡：FeAsO4 (s)Fe3++AsO43－，則Ksp(FeAsO4)=c(Fe3+)c(AsO43－)，所以c(AsO43－)= Ksp(FeAsO4)/c(Fe3+)=5.7×10－21/1.0×10－4 mol·L－1=5.7×10－17 mol·L－1；（3）H3AsO3失去2個電子被氧化為H3AsO4，MnO2得到2個電子被還原為Mn2＋，廢水是酸性溶液，根據電子、電荷、原子守恒原理可得：2H＋+MnO2+H3AsO3==H3AsO4+Mn2＋+H2O；（4）①由于CaO+2H+==Ca2++H2O，讀表1中信息可知，加入生石灰調解pH到2時，增大鈣離子濃度，使CaSO4 (s)Ca2++SO42－的平衡向左移動，析出CaSO4沉淀[加入生石灰調解pH到2時，增大鈣離子濃度，使Qc=c(Ca2＋)·c(SO42－)≥Ksp[CaSO4)，開始析出CaSO4沉淀]；②H3AsO4是弱酸，當溶液中pH調節(jié)到8左右，c(AsO43－)增大，Ca3(AsO4)2 (s) 3Ca2++2AsO43－的平衡向左移動，開始析出Ca3(AsO4)2沉淀[或pH增大，促進H3AsO4電離，c(AsO43－)增大，Qc=c3(Ca2＋)·c2(AsO43－)≥Ksp[Ca3(AsO4)2，Ca3(AsO4)2才沉淀]；③多元弱酸分步電離，則H3AsO4H++H2AsO4－、H2AsO4－H++HAsO42－、HAsO42－H++AsO43－，根據平衡常數(shù)定義式可得，第三步電離平衡常數(shù)K3=[ c(H+) c(AsO43－)]/ c(HAsO42－)；水的離子積常數(shù)Kw= c(H+) c(OH－)，AsO43－+H2OHAsO42－+OH－的平衡常數(shù)的計算表達式為[c(HAsO42－)c(OH－)]/ c(AsO43－)，分子、分母同時乘以c(H+)，則水解平衡常數(shù)=[c(HAsO42－)c(OH－) c(H+)]/[ c(H+)c(AsO43－)]= Kw/K3=（1.0×10－14）÷（4.0×10－12）=2.5×10－3。