Question

15．聚合硫酸鋁鐵[Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n•xH₂O，簡稱PFAS]是一種新型高效水處理劑，以硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等）和粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等）為主要原料制備PFAS的工藝流程如下：
回答下列問題：
（1）堿溶時(shí)，Al₂O₃發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，濾渣Ⅰ的主要成分為Fe₂O₃、FeO，對(duì)其處理方法是與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解加以利用．
（2）濾液中溶質(zhì)主要是NaHCO₃，酸溶Ⅰ所得溶液中的溶質(zhì)主要是Al₂（SO₄）₃（填化學(xué)式）．
（3）氧化時(shí)應(yīng)控制溫度不超過57℃，其原因是溫度過高，H₂O₂會(huì)分解．
（4）聚合硫酸鋁鐵能夠凈水的原因是聚合硫酸鋁鐵溶于電離出Fe³⁺、Al³⁺，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性，酸度對(duì)凈水效果和水質(zhì)有顯著影響．若PFAS中殘留硫酸過多，使用時(shí)產(chǎn)生的不良后果是會(huì)抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質(zhì)．
（5）Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n•xH₂O中a、b、m、n間的關(guān)系為3a+3b=m+2n（用代數(shù)式表示），為了測定聚合硫酸鋁鐵的組成，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：
①準(zhǔn)確稱取8.810g樣品溶于150mL0.100mol•L^-1稀硫酸，恰好完全反應(yīng)后，加入BaCl₂溶液至沉淀完全，過濾、洗滌，干燥至恒重，得到白色固體10.485g；
②另取相同質(zhì)量的樣品，溶于過量的氫碘酸，以磁力攪拌機(jī)攪拌，充分反應(yīng)后，以0.500mol•L^-1的Na₂S₂O₃溶液滴定至淺黃色，滴入幾滴淀粉溶液，再滴定至終點(diǎn)，消耗Na₂S₂O₃溶液20.00mL．已知：I₂+Na₂S₂O₃=2NaI+Na₂S₄O₆，聚合硫酸鋁鐵的化學(xué)式為Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O．

Answer 1

分析 粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應(yīng)，通入過量CO₂，發(fā)生的反應(yīng)為CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再加入H₂SO₄時(shí)，其反應(yīng)原理為2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，結(jié)晶得到Al₂（SO₄）₃晶體．硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫鐵礦燒渣中加入H₂SO₄，其方程式為FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，F(xiàn)e₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅與硫酸不反應(yīng)，加入過氧化氫氧化亞鐵鹽為鐵鹽，結(jié)晶Ⅰ結(jié)晶Ⅱ制備PFAS．
（1）加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解生成偏鋁酸鈉和水，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應(yīng)，為充分利用Fe元素，將濾渣與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解；
（2）通入二氧化碳后得到氫氧化鋁沉淀，濾液中主要含有碳酸氫鈉；氫氧化鋁用硫酸溶解得到酸溶Ⅰ；
（3）H₂O₂氧化Fe²⁺時(shí)，溫度不能過高，其原因是溫度過高，H₂O₂會(huì)分解；
（4）PFAS溶于水產(chǎn)生Fe³⁺、Al³⁺，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性能凈水；
因?yàn)镕e³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以產(chǎn)品PFAS中硫酸殘留過多，會(huì)抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質(zhì)
（5）根據(jù)電荷守恒可知a、b、m、n間的關(guān)系；
根據(jù)消耗的鹽酸計(jì)算n（OH^-），根據(jù)與BaCl₂反應(yīng)沉淀的沉淀的質(zhì)量求出n（SO₄^2-），根據(jù)與碘離子反應(yīng)的關(guān)系求出n（Fe³⁺），根據(jù)電荷守恒計(jì)算n（Al³⁺），再根據(jù)總質(zhì)量求出水的質(zhì)量及物質(zhì)的量，根據(jù)物質(zhì)的量之比確定化學(xué)式．

解答 解：粉煤灰（主要成分為Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式為Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應(yīng)，通入過量CO₂，發(fā)生的反應(yīng)為CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再加入H₂SO₄時(shí)，其反應(yīng)原理為2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，結(jié)晶得到Al₂（SO₄）₃晶體．硫鐵礦燒渣（主要成分為Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫鐵礦燒渣中加入H₂SO₄，其方程式為FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，F(xiàn)e₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅與硫酸不反應(yīng)，加入過氧化氫氧化亞鐵鹽為鐵鹽，結(jié)晶Ⅰ結(jié)晶Ⅱ制備PFAS．
（1）氧化鋁為兩性氧化物，“堿溶”時(shí)Al₂O₃發(fā)生反應(yīng)的濾渣化學(xué)方程式為：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，氧化鐵、氧化亞鐵和氫氧化鈉不反應(yīng)，濾渣Ⅰ的主要成分為Fe₂O₃、FeO，為充分利用Fe元素，將濾渣I與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解加以利用，
故答案為：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；Fe₂O₃、FeO；與硫鐵礦燒渣一起用硫酸溶解加以利用；
（2）通入二氧化碳后得到氫氧化鋁沉淀，濾液中主要含有NaHCO₃；氫氧化鋁用硫酸溶解得到酸溶Ⅰ的溶質(zhì)為Al₂（SO₄）₃，
故答案為：NaHCO₃；Al₂（SO₄）₃；
（3）H₂O₂將Fe²⁺為Fe³⁺，“氧化”時(shí)應(yīng)控制溫度不超過57℃，其原因是溫度過高，H₂O₂會(huì)分解，
故答案為：溫度過高，H₂O₂會(huì)分解；
（4）聚合硫酸鋁鐵溶于電離出Fe³⁺、Al³⁺，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性，吸附懸浮物質(zhì)而凈水；
因?yàn)镕e³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以產(chǎn)品PFAS中硫酸殘留過多，會(huì)抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質(zhì)，
故答案為：聚合硫酸鋁鐵溶于電離出Fe³⁺、Al³⁺，F(xiàn)e³⁺、Al³⁺水解生成氫氧化鋁膠體和氫氧化鐵膠體，具有吸附性；會(huì)抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度過大影響水質(zhì)；
（5）根據(jù)電荷守恒，可知3a+3b=m+2n，
n（OH^-）=2n（H₂SO₄）=0.15L×0.100 mol•L^-1×2=0.03mol，
n（SO₄^2-）=n（BaSO₄）-n（H₂SO₄）=$\frac{10.485g}{233g/mol}$-0.15L×0.100 mol•L^-1=0.03mol，
已知：I₂+2Na₂S₂O₃=2NaI+Na₂S₄O₆，2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂，則2Fe³⁺～I(xiàn)₂～2Na₂S₂O₃，
n（Fe³⁺）=n（Na₂S₂O₃）=0.02L×0.500 mol•L^-1=0.01mol，
在Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n中離子所帶電荷守恒，
則n（Al³⁺）=$\frac{1}{3}$×（0.03mol+0.03mol×2-0.01mol×3）=0.02mol
8.810g樣品中水的質(zhì)量：m（H₂O）=8.810g-0.02mol×27g•mol^-1-0.01mol×56 g•mol^-1-0.03mol×17 g•mol^-1-0.03mol×96 g•mol^-1=4.32 g，
則n（H₂O）=$\frac{4.32g}{18g/mol}$=0.24mol，
所以n（Al³⁺）：n（Fe³⁺）：n（OH^-）：n（SO₄^2-）：n（H₂O）=2：1：3：3：24
則硫酸鋁鐵的化學(xué)式為：Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O；
故答案為：3a+3b=m+2n；Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)制備工藝流程、物質(zhì)的組成的測定等，題目難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查．