Question

9．某科研人员设计出将硫酸渣（主要成分Fe₂O₃，含有少量的SiO₂等杂质），再利用的流程．流程中的滤液经过多次循环后用来后续制备氧化铁粉末．

（1）为了加快反应①的反应速率，可采用的措施是将硫酸渣粉碎、适当增大硫酸的浓度、升高温度、搅拌等．（写出一点即可）
（2）“还原”是将Fe³⁺转化为Fe²⁺．在温度T₁、T₂（T₁＞T₂）下进行该反应，通过检测相同时间内溶液的pH，绘制pH随时间的变化曲线如图2所示．得出结论：该反应的温度不宜过高．
①通入SO₂气体“还原”时，试解释pH下降的原因是Fe³⁺将SO₂的水溶液（H₂SO₃）氧化为H₂SO₄．
②相同时间内，T₁温度下溶液的pH更高的原因是温度过高，SO₂的溶解度下降．
（3）该流程中循环使用的物质是H₂SO₄．
（4）为测定反应①后溶液中Fe³⁺的浓度以控制加入SO₂的量．实验步骤为：准确量取20.00ml的反应后溶液，稀释成100mL溶液，取10.00mL溶液，加入足量的KI晶体和2～3滴淀粉溶液，用0.50mol/L的Na₂S₂O₃溶液与碘反应，当反应恰好完全进行时，共消耗Na₂S₂O₃溶液20.00mL．有关反应方程式如下：
2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂；   2Na₂S₂O₃+I₂=Na₂S₄O₆+2NaI
试计算原溶液中Fe³⁺的物质的量浓度（写出计算过程）．

Answer 1

分析 本题以主要成分Fe₂O₃，含有少量的SiO₂等杂质的硫酸渣为原料制备氧化铁粉末的实验设计，主要考查的是酸溶过程即用稀硫酸溶解氧化铁，再利用三价铁的氧化性氧化通入溶液中的SO₂气体，得到硫酸和二价铁，涉及氧化还原反应的分析及数据处理；
（1）可结合影响反应速率的因素去考虑提高反应①的反应速率的方法；
（2）①在含有三价铁的溶液里通入SO₂气体，发生的反应为2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，根据反应原理分析溶液pH下降的原因；
②可参考温度对对气体溶解度的影响去考虑；
（3）流程度中箭头的指向可看出，最后过滤后的滤液中的硫酸可重新加入参加反应①，可见是可循环利用的物质；
（4）参照滴定原理及2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂、2Na₂S₂O₃+I₂=Na₂S₄O₆+2NaI建立Fe³⁺与Na₂S₂O₃的关系式进行计算．

解答 解：（1）结合影响反应速率的因素，固体在酸溶时，可通过固体粉碎、升高温度、搅拌、提高硫酸的浓度来提高反应速率，故答案为：将硫酸渣粉碎、适当增大硫酸的浓度、升高温度、搅拌等；
（2）①Fe³⁺将SO₂的水溶液（H₂SO₃）氧化为H₂SO₄，故溶液的pH会逐渐减少，也就是溶液的酸性增强，故答案为：Fe³⁺将SO₂的水溶液（H₂SO₃）氧化为H₂SO₄；              
②温度升高，可以加快反应速率，但气体的溶解度却减小了，参加反应的SO2的量减少，故相同时间内，T₁温度下溶液的pH更高，故答案为：温度过高，SO₂的溶解度下降；
（3）从流程图中可看出，可循环利用的物质是H₂SO₄，故答案为：H₂SO₄；
（4）由反应式可得关系：Fe³⁺～Na₂S₂O₃，n（Fe³⁺）=n（Na₂S₂O₃）=20.00×10^-3 L×0.50mol/L×10=0.1 mol∴c（Fe³⁺）=$\frac{0.1mol}{20.00×1{0}^{-3}L}$=5.0mol/L，答：原溶液铁离子浓度为5.0mol/L．

点评 本题考查利用氧化还原反应的理论分析实验原理，涉及影响反应速率的因素及滴定原理的数据处理，难度中等．