Question

5．工業(yè)上常采用固體堿熔氧化法用鉻鐵礦粉 制備重鉻酸鉀，鉻鐵礦的主要成分為 FeO•Cr₂O₃，還含 有 SiO₂、Al₂O₃ 等雜質．實驗室現欲模擬此過程，具體流 程如下：

已知：①NaFeO₂ 遇水強烈水解；②重鉻酸鉀為橙紅色三斜晶體或針狀晶體，溶于水，不溶于乙醇，有 強氧化性；③2CrO₄ ^2-+2H⁺?Cr₂O₇ ^2-+H₂O．請回答以下問題：
（1）灼燒操作一般在坩堝中進行，下列物質適合用來制作此實驗坩堝材料的是A
A．鐵 B．氧化鋁 C．石英 D．陶瓷
（2）鉻鐵礦經粉碎處理的目的是增大反應物的表面積，加快反應速率
（3）濾渣 1 為紅褐色固體，濾液 1 的成分除 Na₂CrO₄、NaOH 外，還含有（填化學式） 實驗中將濾液 1 調節(jié) pH=7～8 的目的是促進AlO₂^-、和SiO₃^2-水解轉化為Al（OH）₃、H₂SiO₃沉淀．
（4）通過途徑 I 從 Na₂CrO₄溶液中獲得 K₂Cr₂O₇晶體，必須進行的操作步驟有：酸化→加 KCl 固體→蒸發(fā) 濃縮→操作 a→過濾→洗滌→干燥．
①“酸化”操作時可選擇的酸是稀硫酸
②操作 a 的名稱是冷卻結晶．在此步操作過程中如果溶液出現過飽和現象，可采用加入晶體、摩擦燒杯壁或用玻璃棒攪拌等方法促進晶體析出．
（5）已知實驗取用的鉻鐵礦 38.0g，其中含 Cr₂O₃40%，最終獲 得 K₂Cr₂O₇ 晶體 20.9g，則產率為71.1%．

Answer 1

分析 鉻鐵礦主要成分為FeO•Cr₂O₃，含有SiO₂、Al₂O₃等雜質、混和NaOH，與足量空氣煅燒，4FeO•Cr₂O₃+7O₂+20NaOH$\frac{\underline{\;煅燒\;}}{\;}$8Na₂CrO₄+4NaFeO₂+10H₂O，生成Na₂CrO₄、NaFeO₂、Na₂SiO₃、NaOH和NaAlO₂的混合體系，然后加水溶解，三價鐵水解，NaFeO₂+2H₂O=Fe（OH）₃↓+NaOH，得固體氫氧化鐵濾渣1和濾液Na₂CrO₄、Na₂SiO₃、NaOH、NaAlO₂，再調節(jié)溶液的pH，使偏鋁酸鹽完全轉化為氫氧化鋁沉淀，硅酸鹽完全沉淀；過濾，使濾液酸化，使CrO₄^2-轉化為Cr₂O₇^2-，2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O，加KCl固體→蒸發(fā)濃縮→冷卻結晶→過濾→洗滌→干燥，得到K₂Cr₂O₇．
（1）根據步驟①在坩堝中進行煅燒物質含有強堿氫氧化鈉，氫氧化鈉能和二氧化硅反應來解答；
（2）根據影響化學反應速率的常見因素進行解答；
（3）根據流程分析樣品中含有SiO₂、Al₂O₃等雜質在NaOH溶液里會溶解生成可溶性鹽進入濾液I；調節(jié)溶液pH的目的是為了除去濾液Ⅰ中含有的雜質離子，使之水解轉化為沉淀除去；
（4）①為使2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O 的平衡向正反應方向移動，可選擇非氧化性或還原性的酸酸化；
②從溶液中提取溶質的操作為蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥，過飽和溶液中促進晶體析出的方法是提供晶體核即可；
（5）可根據原子守恒計算出K₂Cr₂O₇ 晶體理論產量，再利用K₂Cr₂O₇ 晶體實際產量與理論產量的比值計算出產率．

解答 解：鉻鐵礦主要成分為FeO•Cr₂O₃，含有SiO₂、Al₂O₃等雜質、混和NaOH，與足量空氣煅燒，4FeO•Cr₂O₃+7O₂+20NaOH$\frac{\underline{\;煅燒\;}}{\;}$8Na₂CrO₄+4NaFeO₂+10H₂O，生成Na₂CrO₄、NaFeO₂、Na₂SiO₃、NaOH和NaAlO₂的混合體系，然后加水溶解，三價鐵水解，NaFeO₂+2H₂O=Fe（OH）₃↓+NaOH，得固體氫氧化鐵濾渣1和濾液Na₂CrO₄、Na₂SiO₃、NaOH、NaAlO₂，再調節(jié)溶液的pH，使偏鋁酸鹽完全轉化為氫氧化鋁沉淀，硅酸鹽完全沉淀；過濾，使濾液酸化，使CrO₄^2-轉化為Cr₂O₇^2-，2CrO₄^2-+2H⁺?Cr₂O₇^2-+H₂O，加KCl固體→蒸發(fā)濃縮→冷卻結晶→過濾→洗滌→干燥，得到K₂Cr₂O₇．
（1）A．鐵坩堝含有鐵，鐵與氫氧化鈉不反應，故A正確；
B．三氧化二鋁能和氫氧化鈉反應生成偏鋁酸鈉，故B錯誤；
C．石英中含有二氧化硅，二氧化硅能和氫氧化鈉反應，故C錯誤；
D．陶瓷中含有二氧化硅，二氧化硅能和氫氧化鈉反應，故D錯誤；
故答案為：A；
（2）固體的表面積越大，反應速率越大，鉻鐵礦經粉碎處理，能使鉻鐵礦的表面積增大，增大了與氧氣 接觸面積，所以反應速率加快；
故答案為：增大反應物的表面積，加快反應速率；
（3）由流程分析可知濾液I中含有Na₂CrO₄、NaFeO₂、Na₂SiO₃、NaOH和NaAlO₂，調節(jié)溶液的pH=7～8 的目的是促進AlO₂^-、和SiO₃^2-水解轉化為Al（OH）₃、H₂SiO₃沉淀，通過過濾除去；故答案為：NaAlO₂、Na₂SiO₃；促進AlO₂^-、和SiO₃^2-水解轉化為Al（OH）₃、H₂SiO₃沉淀；
（4）①“酸化”步驟用稀硫酸來調節(jié)溶液pH＜5，促進CrO₄^2-轉化為Cr₂O₇^2-，故答案為：稀硫酸；
②從溶液中提取溶質的操作為蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥，則操作a為冷卻結晶，促進過飽和溶液析出晶體，可通過加入晶體、摩擦燒杯壁或用玻璃棒攪拌等方法找一個“中心”聚集起來讓晶體析出，故答案為：冷卻結晶；加入晶體、摩擦燒杯壁或用玻璃棒攪拌；
（5）鉻鐵礦38.0g，其中含 Cr₂O₃40%，可知Cr₂O₃質量為38.0×40%=15.2g，物質的量為$\frac{15.2g}{152g/mol}$=0.1mol，根據原子守恒，理論得到的K₂Cr₂O₇ 晶體物質的量為0.1mol，質量為0.1mol×294g/mol=29.4g，最終獲 得 K₂Cr₂O₇ 晶體 20.9g，則產率為$\frac{20.9g}{29.4g}×100%$=71.1%．

點評 本題考查了物質制備實驗方案的流程分析和產物判斷，題目難度中等，把握生產流程是解題的關鍵，注意物質之間的轉化，側重于考查學生的實驗探究能力和對基礎知識的綜合應用能力．