Question

15．聚合硫酸铝铁[Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n•xH₂O，简称PFAS]是一种新型高效水处理剂，以硫铁矿烧渣（主要成分为Fe₃O₄、FeO、SiO₂等）和粉煤灰（主要成分为Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等）为主要原料制备PFAS的工艺流程如下：
回答下列问题：
（1）碱溶时，Al₂O₃发生反应的离子方程式为Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，滤渣Ⅰ的主要成分为Fe₂O₃、FeO，对其处理方法是与硫铁矿烧渣一起用硫酸溶解加以利用．
（2）滤液中溶质主要是NaHCO₃，酸溶Ⅰ所得溶液中的溶质主要是Al₂（SO₄）₃（填化学式）．
（3）氧化时应控制温度不超过57℃，其原因是温度过高，H₂O₂会分解．
（4）聚合硫酸铝铁能够净水的原因是聚合硫酸铝铁溶于电离出Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氢氧化铝胶体和氢氧化铁胶体，具有吸附性，酸度对净水效果和水质有显著影响．若PFAS中残留硫酸过多，使用时产生的不良后果是会抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度过大影响水质．
（5）Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n•xH₂O中a、b、m、n间的关系为3a+3b=m+2n（用代数式表示），为了测定聚合硫酸铝铁的组成，进行如下实验：
①准确称取8.810g样品溶于150mL0.100mol•L^-1稀硫酸，恰好完全反应后，加入BaCl₂溶液至沉淀完全，过滤、洗涤，干燥至恒重，得到白色固体10.485g；
②另取相同质量的样品，溶于过量的氢碘酸，以磁力搅拌机搅拌，充分反应后，以0.500mol•L^-1的Na₂S₂O₃溶液滴定至浅黄色，滴入几滴淀粉溶液，再滴定至终点，消耗Na₂S₂O₃溶液20.00mL．已知：I₂+Na₂S₂O₃=2NaI+Na₂S₄O₆，聚合硫酸铝铁的化学式为Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O．

Answer 1

分析 粉煤灰（主要成分为Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式为Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化铁、氧化亚铁和氢氧化钠不反应，通入过量CO₂，发生的反应为CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再加入H₂SO₄时，其反应原理为2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，结晶得到Al₂（SO₄）₃晶体．硫铁矿烧渣（主要成分为Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫铁矿烧渣中加入H₂SO₄，其方程式为FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅与硫酸不反应，加入过氧化氢氧化亚铁盐为铁盐，结晶Ⅰ结晶Ⅱ制备PFAS．
（1）加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解生成偏铝酸钠和水，氧化铁、氧化亚铁和氢氧化钠不反应，为充分利用Fe元素，将滤渣与硫铁矿烧渣一起用硫酸溶解；
（2）通入二氧化碳后得到氢氧化铝沉淀，滤液中主要含有碳酸氢钠；氢氧化铝用硫酸溶解得到酸溶Ⅰ；
（3）H₂O₂氧化Fe²⁺时，温度不能过高，其原因是温度过高，H₂O₂会分解；
（4）PFAS溶于水产生Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氢氧化铝胶体和氢氧化铁胶体，具有吸附性能净水；
因为Fe³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以产品PFAS中硫酸残留过多，会抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度过大影响水质
（5）根据电荷守恒可知a、b、m、n间的关系；
根据消耗的盐酸计算n（OH^-），根据与BaCl₂反应沉淀的沉淀的质量求出n（SO₄^2-），根据与碘离子反应的关系求出n（Fe³⁺），根据电荷守恒计算n（Al³⁺），再根据总质量求出水的质量及物质的量，根据物质的量之比确定化学式．

解答 解：粉煤灰（主要成分为Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO等），加入NaOH溶液使Al₂O₃溶解，其方程式为Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O，氧化铁、氧化亚铁和氢氧化钠不反应，通入过量CO₂，发生的反应为CO₂+NaAlO₂+2H₂O=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，再加入H₂SO₄时，其反应原理为2Al（OH）₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+6H₂O，结晶得到Al₂（SO₄）₃晶体．硫铁矿烧渣（主要成分为Fe₃O₄、FeO、SiO₂等），向硫铁矿烧渣中加入H₂SO₄，其方程式为FeO+H₂SO₄=FeSO₄+H₂O，Fe₃O₄+8H⁺=2Fe³⁺+Fe²⁺+4H₂O，二氧化硅与硫酸不反应，加入过氧化氢氧化亚铁盐为铁盐，结晶Ⅰ结晶Ⅱ制备PFAS．
（1）氧化铝为两性氧化物，“碱溶”时Al₂O₃发生反应的滤渣化学方程式为：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O，氧化铁、氧化亚铁和氢氧化钠不反应，滤渣Ⅰ的主要成分为Fe₂O₃、FeO，为充分利用Fe元素，将滤渣I与硫铁矿烧渣一起用硫酸溶解加以利用，
故答案为：Al₂O₃+2OH^-=2AlO₂^-+H₂O；Fe₂O₃、FeO；与硫铁矿烧渣一起用硫酸溶解加以利用；
（2）通入二氧化碳后得到氢氧化铝沉淀，滤液中主要含有NaHCO₃；氢氧化铝用硫酸溶解得到酸溶Ⅰ的溶质为Al₂（SO₄）₃，
故答案为：NaHCO₃；Al₂（SO₄）₃；
（3）H₂O₂将Fe²⁺为Fe³⁺，“氧化”时应控制温度不超过57℃，其原因是温度过高，H₂O₂会分解，
故答案为：温度过高，H₂O₂会分解；
（4）聚合硫酸铝铁溶于电离出Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氢氧化铝胶体和氢氧化铁胶体，具有吸附性，吸附悬浮物质而净水；
因为Fe³⁺、Al³⁺水解均呈酸性，所以产品PFAS中硫酸残留过多，会抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度过大影响水质，
故答案为：聚合硫酸铝铁溶于电离出Fe³⁺、Al³⁺，Fe³⁺、Al³⁺水解生成氢氧化铝胶体和氢氧化铁胶体，具有吸附性；会抑制Al³⁺、Fe³⁺水解，降低絮凝效果，并且酸度过大影响水质；
（5）根据电荷守恒，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，则2Fe³⁺～I₂～2Na₂S₂O₃，
n（Fe³⁺）=n（Na₂S₂O₃）=0.02L×0.500 mol•L^-1=0.01mol，
在Al_aFe_b（OH）_m（SO₄）_n中离子所带电荷守恒，
则n（Al³⁺）=$\frac{1}{3}$×（0.03mol+0.03mol×2-0.01mol×3）=0.02mol
8.810g样品中水的质量：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，
则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
则硫酸铝铁的化学式为：Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O；
故答案为：3a+3b=m+2n；Al₂Fe（OH）₃（SO₄）₃•24H₂O．

点评 本题考查物质制备工艺流程、物质的组成的测定等，题目难度中等，侧重于考查学生的分析能力和计算能力，是对学生综合能力的考查．