Question

I．化学研究性学习小组拟通过实验探究“新制的还原性铁粉和过量盐酸的反应生成FeCl₂还是FeCl₃”．请你参与探究并回答有关问题：
（1）一位同学向反应后的溶液中滴加NaOH溶液的方法来验证溶液中含有Fe²⁺．
①可观察到实验现象是    ，
②反应过程中发生反应的化学方程式是    ．
（2）另一位同学向反应后的溶液中先滴加KSCN溶液，再向其中滴加新制氯水，溶液呈现血红色，但当滴加过量新制氯水时，却发现红色褪去．为了弄清溶液红色褪去的原因，同学们查到如下资料：
①铁有一种化合物称为铁酸盐（含有FeO₄^2-）．
②SCN^-的电子式为．
③氯水具有很强的氧化性．
于是同学们提出两种假设，
①第一种假设是：Cl₂可将Fe³⁺氧化为FeO₄^2-，请写出该离子反应方程式    ．
②第二种假设是：    ，
II．某经济开发区将钛冶炼厂与氯碱厂、甲醇厂组成了一个产业链（如图所示），大大地提高了资源利用率，减少了环境污染．请填写下列空白：

（1）写出钛铁矿经氯化得到四氯化钛的化学方程式：    ．
（2）由CO和H₂合成甲醇的方程式是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
①已知该反应在300℃时的化学平衡常数为0.27，该温度下将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此时反应将    （填“向正反应方向进行”、“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”）．
②若不考虑生产过程中物质的任何损失，该产业链中每合成19.2t甲醇，至少需额外补充H₂    t．
（3）用甲醇-空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜，在接通电路一段时间后纯Cu质量增加3.2g．
①请写出燃料电池中的负极反应式：    ．
②燃料电池正极消耗空气的体积是    （标况，空气中O₂体积分数以20%计算）．

Answer 1

【答案】分析：I．（1）根据NaOH溶液与FeCl₂溶液先后发生反应：FeCl₂+2NaOH═Fe（OH）₂↓，4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O═4Fe（OH）₃，可观察到产生白色沉淀，迅速变灰绿色，最终变红棕色沉淀，根据颜色变化书写反应现象；
（2）①根据Cl₂做氧化剂被还原生成氯离子，Fe³⁺被氧化为FeO₄^2-，确定反应物和生成物，然后根据化合价升降总数相等和原子守恒配平；
②SCN^-中S为负二价，N为负三价均为最低价有被氧化的可能，溶液的颜色会逐渐褪去，可能溶液中的SCN^-被过量的氯水氧化；
II．（1）分析流程可知，钛铁矿经氯化得到四氯化钛、氯化铁和一氧化碳，依据原子守恒配平写出；
（2）①依据浓度商和平衡常数比较分析判断反应进行的方向；
②根据CO和H₂合成甲醇的方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）以及2FeTiO₃+6C+7Cl₂2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O 2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得到相应关系式来计算；
（3）①根据负极反应=总反应-正极反应来回答；
②根据电路中的电子守恒来计算回答．
解答：解：I．（1）①NaOH溶液与FeCl₂溶液先后发生反应：FeCl₂+2NaOH═Fe（OH）₂↓，4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O═4Fe（OH）₃，可观察到产生白色沉淀，迅速变灰绿色，最终变红棕色沉淀，
故答案：产生白色沉淀，迅速变灰绿色，最终变红棕色沉淀；
②涉及的反应方程式为：FeCl₂+2NaOH═Fe（OH）₂↓，4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O═4Fe（OH）₃，
故答案为：FeCl₂+2NaOH═Fe（OH）₂↓，4Fe（OH）₂+O₂+2H₂O═4Fe（OH）₃；
（2）①Cl₂做氧化剂被还原生成氯离子，Fe³⁺被氧化为FeO₄^2-，根据化合价升降总数相等和原子守恒得：2Fe³⁺+3Cl₂+8H₂O═2FeO₄^2-+6Cl^-+16H⁺，
故答案为：2Fe³⁺+3Cl₂+8H₂O═2FeO₄^2-+6Cl^-+16H⁺；
②SCN^-中S为负二价，N为负三价均为最低价有被氧化的可能，溶液的颜色会逐渐褪去，可能溶液中的SCN^-被过量的氯水氧化，
故答案为：SCN^-被Cl₂氧化；
II．（1）从图示可知氯化时的反应物为FeTiO₃、C、Cl₂，生成物为FeCl₃、TiCl₄、CO，再根据得失电子和原子守恒即可得出该反应的方程式为2FeTiO₃+6C+7Cl₂2FeCl₃+2TiCl₄+6CO，
故答案为：2FeTiO₃+6C+7Cl₂2FeCl₃+2TiCl₄+6CO；
（2）①将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此状态的浓度熵Qc===0.44＞0.27，即Qc＞K，所以此时反应将向逆反应方向进行，
故答案为：向逆反应方向进行；
②由方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）、2FeTiO₃+6C+7Cl₂2FeCl₃+2TiCl₄+6CO、2NaCl+2H₂O2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得如下关系式：6CH₃OH→6CO→7Cl₂→7H₂，而6CH₃OH→12H₂，故每生产6molCH₃OH（192g）需额外补充5molH₂（10g），则生产19.2t甲醇，至少需额外补充1.0t氢气，故答案为：1.0；
（3）①甲醇-空气碱性（KOH）燃料电池的总反应为：3O₂+2CH₃OH+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，正极反应式为：3O₂+12e^-+6H₂O=12OH^-，负极反应=总反应-正极反应，即为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②电解精炼粗铜时，阴极电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，当生成3.2g纯铜，至少转移电子0.1mol，燃料电池的正极反应为：3O₂+12e^-+6H₂O=12OH^-，转移电子0.1mol，消耗氧气0.025mol，折合成空气为0.125mol，在标准状况下的体积为2.8L，
故答案为：2.8 L．
点评：本题考查较综合，涉及原电池原理、平衡平衡的移动、氧化还原反应等知识点，这些知识点都是考查热点，也是学习重点，要求学生具有分析和解决问题的能力，难度较大．