Question

12．鐵、鈷（Co）、鎳（Ni）是同族元素，都是較活潑的金屬，它們的化合物在工業(yè)上有重要的應用．
（1）Fe₂（SO₄）₃和明礬一樣也具有凈水作用，其凈水的原理是Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺．
（用離子方程式表示）．
（2）已知某溶液中，Co²⁺、Ni²⁺的濃度分別為0.6mol/L和1.2mol/L，取一定量的該溶液，向其中滴加NaOH溶液，當Co（OH）₂開始沉淀時，溶液中$\frac{c（C{O}^{2+}）}{c（N{i}^{2+}）}$的值等于3．
（已知Ksp[Co（OH）₂]=6.0×10^-15，Ksp[Ni（OH）₂]=2.0×10^-15）
（3）高鐵酸鉀（K₂FeO₄）是一種新型、高效、多功能水處理劑，且不會造成二次污染．
已知高鐵酸鹽熱穩(wěn)定性差，工業(yè)上用濕法制備K₂FeO₄的流程如圖1所示：

①上述氧化過程中，發(fā)生反應的離子方程式是：2Fe（OH）₃+3ClO^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，
在實際生產(chǎn)中一般控制反應溫度30℃以下，其原因是：防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解．
②反應③加入濃KOH溶液可析出高鐵酸鉀（K₂FeO₄），這說明該溫度下，高鐵酸鉀的溶解度比高鐵酸鈉的溶解度�。�
③某溫度下，將Cl₂通入NaOH溶液中，反應后得到NaCl、NaClO、NaClO₃的混合溶液，經(jīng)測定ClO^-與ClO₃^-離子的物質的量之比是1：2，則Cl₂與氫氧化鈉反應時，被還原的氯元素和被氧化的氯元素的物質的量之比為11：3．
（4）工業(yè)上還可用通過電解濃NaOH溶液制備Na₂FeO₄，其工作原理如圖2所示：陽極的電極反應式為Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；其中可循環(huán)使用的物質NaOH溶液．

Answer 1

分析 （1）三價鐵離子水解產(chǎn)生氫氧化鐵膠體，膠體表面積大，吸附能力強，達到凈水目的；
（2）Ksp[Co（OH）₂]=6.0×10^-15，Ksp[Ni（OH）₂]=2.0×10^-15，對于同種類型的沉淀，Ksp越小，越難溶，則在滴加氫氧化鈉溶液的過程中，二價鎳離子先沉淀，Ni²⁺+2OH^-=Ni（OH）₂↓，當Co²⁺開始沉淀時，溶液中存在兩個溶解平衡：Co（OH）₂?CO²⁺+2OH^-，Ni（OH）₂?Ni²⁺+2OH^-，根據(jù)Ksp[Co（OH）₂]計算出此時溶液中c（OH^-），則可計算出此時溶液中剩下的鎳離子濃度，最終得出溶液中$\frac{c（C{o}^{2+}）}{c（N{i}^{2+}）}$的值；
（3）①氯氣與氫氧化鈉反應產(chǎn)生強氧化劑次氯酸鈉，硝酸鐵水解產(chǎn)生氫氧化鐵膠體，次氯酸鈉將氫氧化鐵氧化成高鐵酸鈉，據(jù)此寫出氧化過程的離子方程式；已知高鐵酸鹽熱穩(wěn)定性差，在實際生產(chǎn)中一般控制反應溫度30℃以下，其原因是防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解；
②加入濃KOH溶液可析出高鐵酸鉀（K₂FeO₄），說明該溫度下，高鐵酸鉀的溶解度比高鐵酸鈉的溶解度��；
③Cl₂生成ClO^-、ClO₃^-化合價升高，是被氧化的過程，而Cl₂生成NaCl是化合價降低被還原的過程，氧化還原反應中氧化劑和還原劑之間得失電子數(shù)目相等，據(jù)ClO^-與ClO₃^-的物質的量濃度之比可計算出失去電子的總物質的量，進而可計算得到電子的總物質的量；再根據(jù)氯元素被還原生成KCl的化合價變化為1計算出被還原的氯元素的物質的量，最后計算出被還原的氯元素和被氧化的氯元素的物質的量之比；
（4）依據(jù)陽極是鐵，故陽極上鐵放電生成FeO₄^2-結合堿性環(huán)境來寫出電極方程式；根據(jù)OH^-在陽極被消耗，而在陰極會生成來分析．

解答 解：（1）三價鐵離子水解產(chǎn)生氫氧化鐵膠體，離子方程式為：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺，膠體表面積大，吸附能力強，達到凈水目的，
故答案為：Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃（膠體）+3H⁺；
（2）Ksp[Co（OH）₂]=6.0×10^-15，Ksp[Ni（OH）₂]=2.0×10^-15，對于同種類型的沉淀，Ksp越小，越難溶，
則在滴加氫氧化鈉溶液的過程中，二價鎳離子先沉淀，Ni²⁺+2OH^-=Ni（OH）₂↓，
當Co²⁺開始沉淀時，溶液中存在兩個溶解平衡：C_O（OH）₂?CO²⁺+2OH^-，Ni（OH）₂?Ni²⁺+2OH^-，
根據(jù)Ksp[Co（OH）₂]計算出此時溶液中c（OH^-），c（OH^-）=$\sqrt{\frac{{K}_{SP}[Co（OH）_{2}]}{c（C{o}^{2+}）}}$=$\sqrt{\frac{6.0×1{0}^{-15}}{0.6}}$=10^-7mol/L，
則溶液中剩下的鎳離子濃度c（Ni²⁺）=$\frac{{K}_{SP}[Ni（OH）_{2}]}{{c}^{2}（O{H}^{-}）}$=$\frac{2.0×1{0}^{-15}}{（1{0}^{-7}）^{2}}$=0.2mol/L，溶液中$\frac{c（C{o}^{2+}）}{c（N{i}^{2+}）}$=$\frac{0.6mol/L}{0.2mol/L}$=3，
故答案為：3；
（3）①氯氣與氫氧化鈉反應產(chǎn)生強氧化劑次氯酸鈉，硝酸鐵水解產(chǎn)生氫氧化鐵膠體，次氯酸鈉將氫氧化鐵氧化成高鐵酸鈉，離子方程式為：2Fe（OH）₃+3ClO^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；已知高鐵酸鹽熱穩(wěn)定性差，在實際生產(chǎn)中一般控制反應溫度30℃以下，其原因是防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解，
故答案為：2Fe（OH）₃+3ClO^-+4OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；防止生成的高鐵酸鈉發(fā)生分解；
②加入濃KOH溶液可析出高鐵酸鉀（K₂FeO₄），說明該溫度下，高鐵酸鉀的溶解度比高鐵酸鈉的溶解度小，
故答案為：該溫度下，高鐵酸鉀的溶解度比高鐵酸鈉的溶解度��；
③Cl₂生成ClO^-與ClO₃^-是被氧化的過程，化合價分別由0價升高為+1價和+5價，
經(jīng)測定ClO^-和ClO₃^-物質的量之比為1：2，
則可設ClO^-為1mol，ClO₃^-為2mol，被氧化的氯元素的物質的量為：1mol+2mol=3mol，
根據(jù)化合價變化可知，反應中失去電子的總物質的量為：1mol×（1-0）+2mol×（5-0）=11mol，
氧化還原反應中得失電子數(shù)目一定相等，則該反應中失去電子的物質的量也是11mol，
Cl₂生成KCl是被還原的過程，化合價由0價降低為-1價，
則被還原的Cl的物質的量為：$\frac{11mol}{1-0}$=11mol，
所以被還原的氯元素和被氧化的氯元素的物質的量之比為11mol：3mol=11：3，
故答案為：11：3；
（4）陽極是鐵，故陽極上鐵放電生成FeO₄^2-，由于是堿性環(huán)境，故電極方程式為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O，
在電解時，水電離的H⁺在陰極放電：2H⁺+2e^-=H₂↑，c（OH^-）增大，Na⁺通過陽離子交換膜進入陰極區(qū)，使陰極區(qū)c（NaOH）增大，故NaOH可以循環(huán)使用，
故答案為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；NaOH溶液．

點評 本題考查了三價鐵離子與Na₂FeO₄的凈水原理，涉及難溶電解質的計算、氧化還原反應方程的書寫、計算、電極反應的書寫，綜合性強，有一定難度，Na₂FeO₄的凈水是�？键c，應注意歸納總結．