Question

20．铁是目前人类使用量最大的金属，它能形成多种化合物．
（1）取5.6g的生铁与足量的稀硫酸混合反应，无论怎样进行实验，最终收集了的气体体积均小于2.24L（标准状况），最主要的原因是生铁中含有碳等杂质，所得溶液在长时间放置过程中会慢慢出现浅黄色，试用离子方程式解释这一变化的原因4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．
（2）硫化亚铁常用于工业废水的处理．已知：25℃时，溶度积常数K_sp（FeS）=6.3×10^-18、K_sp（CdS）=3.6×10^-29．请写出用硫化亚铁处理含Cd²⁺的工业废水的离子方程式Cd²⁺（aq）+FeS（s）=Fe²⁺（aq）+CdS（s）．
（3）ZnFe₂O_3.5是一种新型纳米材料，可将工业废气中的某些元素转化为游离态，制取纳米ZnFe₂O_3.5和用于除去废气的转化关系为：ZnFe₂O₄$?_{CO_{2}、NO_{2}、SO_{2}/常温}^{H_{2}/高温}$ZnFe₂O_3.5上述转化反应中消耗的n（ZnFe₂O₄）：n（H₂）=2：1．请写出 ZnFe₂O_3.5与NO₂反应的化学方程式2NO₂+8ZnFe₂O_3.5=N₂+8ZnFe₂O₄．
（4）LiFePO₄（难溶于水）材料被视为最有前途的锂离子电池材料之一．
①以 FePO₄（难溶于水）、Li₂CO₃、单质碳为原料在高温下制备LiFePO₄，该反应的化学方程式为2FePO₄+Li₂CO₃+2C=2LiFePO₄+3CO↑．则1molC参与反应时转移的电子数为2N_A（或2×6.02×10²³）．
②磷酸铁锂动力电池有几种类型，其中一种（中间是锂离子聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开）工作原理为FePO₄+Li$?_{放电}^{充电}$LiFePO₄．则充电时阳极上的电极反应式为LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺．
（5）已知25℃时，K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，此温度下若在实验室中配制5mol/L 100mL FeCl₃溶液，为使配制过程中不出现浑浊现象，则至少需要加入2.5ml、2mol/L的盐酸（忽略加入盐酸体积）．

Answer 1

分析 （1）生铁中含有碳元素等物质，故5.6g铁物质的量少于0.1mol，与HCl反应生成的气体偏少．变黄色说明Fe²⁺被氧气氧化为Fe³⁺．
（2）依据溶度积常数分析判断CdS更难溶，可以实现沉淀转化．
（3）依得失电子守恒原理可求出反应中n（ZnFe₂O₄）：n（H₂，根据元素守恒和电子守恒分析写出离子方程式．
（4）①反应过程中铁元素由+3价降低到+2价，Li₂CO₃中的碳元素由+4价降低到+2价，碳单质中化由0价升为+2价；
②充电时阳极上LiFePO₄^-失电子发生氧化反应．
（5）若不出现浑浊现象，则c（Fe³⁺）×C³（OH^-）≤K_sp[Fe（OH）₃]，代入有关数据后可求出c（OH^-）≤2×10^-13mol/L，c（H⁺）≥0.05mol/L，故至少要加入2.5ml相应的盐酸．

解答 解：（1）生铁中含有碳元素等物质，故5.6g铁物质的量少于0.1mol，生成的氢气的体积少于2.24L（标准状况）；变黄色说明有Fe³⁺生成，是由Fe²⁺被氧气氧化所导致的，其反应的离子方程式为：4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O；
故答案为：生铁中含有碳等杂质；4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O．
（2）溶度积常数Ksp（FeS）=6.3×10^-18、Ksp（CdS）=3.6×10^-29，溶度积常数分析判断CdS更难溶，可以实现沉淀转化，Cd²⁺（aq）+FeS（s）=Fe²⁺（aq）+CdS（s），所以能用硫化亚铁处理含Cd²⁺的工业废水；
故答案为：Cd²⁺（aq）+FeS（s）=Fe²⁺（aq）+CdS（s）；
（3）1molZnFe₂O₄变为ZnFe₂O_3.5时化合价升高了1价，则根据得失电子守恒原理，则氢气化合价应降低1价，即参加反应的氢气的物质的量为0.5mol，即n（ZnFe₂O₄）：n（H₂）=2：1； ZnFe₂O_3.5与NO₂ 反应生成N₂和ZnFe₂O₄，其反应方程式为：2NO₂+8ZnFe₂O_3.5=N₂+8ZnFe₂O₄；
故答案为：2：1；2NO₂+8ZnFe₂O_3.5=N₂+8ZnFe₂O₄；
（4）①反应过程中铁元素由+3价降低到+2价，Li₂CO₃中的碳元素由+4价降低到+2价，由0价升为+2价，故1molC参与反应转移2mol电子，故答案为：2N_A（或2×6.02×10²³）；
②充电时阳极上LiFePO₄^-失电子发生氧化反应：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺；
故答案为：LiFePO₄-e^-=FePO₄+Li⁺；
（5）若不出现浑浊现象，则c（Fe³⁺）×C³（OH^-）≤K_sp[Fe（OH）₃]，代入有关数据后可求出c³（OH^-）≤$\frac{4.0×1{0}^{-38}}{5}$，c（OH^-）=2×10^-13mol/L，c（H⁺）≥0.05mol/L，设加入盐酸体积为x，则有$\frac{x×2mol/L}{100mL}$=0.05mol/L，解得x=2.5mL，故至少要加入2.5mL相应的盐酸；
故答案为：2.5．

点评 本题考查了氧化还原反应、离子方程式的书写、化学方程式的书写、原电池原理的应用等，题目难度中等，侧重于基础知识的综合应用考查．