Question

8．硫酸铅可用于铅蓄电池和制作颜料等．利用铅矿精矿（主要成分为PbS）直接制备硫酸铅粉末的流程如下：

已知：（1）PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-（aq）△H＞0
（2）K_sp（PbSO₄）=1.08×10^-8，K_sp（PbCl₂）=1.6×10^-5
（3）Fe³⁺、Pb²⁺以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的PH值分别为3.2、7.04
回答下列问题：
（1）往方铅矿精矿中加入FeCl₃溶液和盐酸，其中FeCl₃与PbS反应生成PbCl₂和S的化学方程式为2FeCl₃+PbS=PbCl₂+S+2FeCl₂，加入盐酸的主要目的是为了控制pH在0.5～1.0，原因是抑制Fe³⁺、Pb²⁺的水解
（2）流程图中加饱和食盐水、趁热过滤的目的是利于PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-△H＞0正向进行，使PbCl₂溶解
（3）滤液2中加入H₂O₂的目的是将滤液2中Fe²⁺氧化为Fe³⁺，循环利用
（4）写出PbCl₂晶体加入稀硫酸转化为PbSO₄沉淀的离子方程式PbCl₂（s）+SO₄^2-（aq）?PbSO₄ （s）+2Cl^-（aq）
（5）铅蓄电池的电解液是稀硫酸（22%-28%），充电后两个电极上沉淀的PbSO₄分别转化为PbO₂和PbO，铅蓄电池放电时正极的电极反应式为PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-=PbSO₄+2H₂O．若用该铅蓄电池作电源电解400g饱和食盐水（都用惰性材料做电极），如果该铅蓄电池内硫酸的体积为5L，当其浓度从1.5mol/L降至1.3mol/L时，计算剩余溶液中氯化钠的质量分数为10.6%（已知该温度下氯化钠溶解度为32克，计算结果保留三位有效数字）

Answer 1

分析 往方铅矿精矿中加入FeCl₃溶液和盐酸，FeCl₃与PbS反应生成PbCl₂和S，产物中加入饱和食盐水，趁热过滤，利于PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-△H＞0正向进行，使PbCl₂溶解，过滤除去硫等杂质，滤液1含有PbCl₄^-、Cl^-、Fe²⁺、Fe³⁺等，滤液1蒸发浓缩，冷水浴中冷却，利用平衡逆向进行，析出PbCl₂晶体，滤液2中含有Fe²⁺、Fe³⁺，用过氧化氢进行氧化后循环利用，PbCl₂晶体中加入稀硫酸，转化为更难溶的硫酸铅沉淀，过滤得到硫酸铅沉淀，洗涤、烘干得到硫酸铅粉末，滤液3中含有HCl及硫酸．
（1）FeCl₃与PbS反应生成PbCl₂和S，Pb元素化合价不变，S元素化合价升高，则铁元素的化合价降低，有FeCl₂生成；
由Fe³⁺、Pb²⁺以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH，分析加入盐酸的主要目的；
（2）根据温度、浓度对平衡移动的影响进行分析；
（3）过氧化氢将滤液2中Fe²⁺氧化为Fe³⁺，在循环利用；
（4）PbCl₂晶体中加入稀硫酸，转化为更难溶的硫酸铅，反应还生成HCl；
（5）铅蓄电池充电时为电解池，放电是为原电池，正极发生还原反应，PbO₂在正极获得电子，硫酸条件下反应生成PbSO₄与水；
原电池总反应为：PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O，根据消耗的硫酸的量计算转移电子物质的量，电解饱和氯化钠溶液，电解池总反应为：2NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂+2NaOH，根据转移电子计算参加反应的NaCl的质量，氢气与氯气的质量等于溶液质量减少量，结合溶解度计算原溶液中NaCl的质量，再计算剩余溶液中NaCl的质量，进而计算质量分数．

解答 解：往方铅矿精矿中加入FeCl₃溶液和盐酸，FeCl₃与PbS反应生成PbCl₂和S，产物中加入饱和食盐水，趁热过滤，利于PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-△H＞0正向进行，使PbCl₂溶解，过滤除去硫等杂质，滤液1含有PbCl₄^-、Cl^-、Fe²⁺、Fe³⁺等，滤液1蒸发浓缩，冷水浴中冷却，利用平衡逆向进行，析出PbCl₂晶体，滤液2中含有Fe²⁺、Fe³⁺，用过氧化氢进行氧化后循环利用，PbCl₂晶体中加入稀硫酸，转化为更难溶的硫酸铅沉淀，过滤得到硫酸铅沉淀，洗涤、烘干得到硫酸铅粉末，滤液3中含有HCl及硫酸．
（1）FeCl₃与PbS反应生成PbCl₂和S，Pb元素化合价不变，S元素化合价升高，则铁元素的化合价降低，有FeCl₂生成，反应方程式为：2FeCl₃+PbS=PbCl₂+S+2FeCl₂，
Fe³⁺、Pb²⁺以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的PH值分别为3.2、7.04，加入盐酸的主要目的是为了控制PH值在0.5～1.0，抑制Fe³⁺、Pb²⁺的水解，
故答案为：2FeCl₃+PbS=PbCl₂+S+2FeCl₂；抑制Fe³⁺、Pb²⁺的水解；
（2）加饱和食盐水、趁热过滤，利于PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-△H＞0正向进行，使PbCl₂溶解，
故答案为：利于PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-△H＞0正向进行，使PbCl₂溶解；
（3）过氧化氢将滤液2中Fe²⁺氧化为Fe³⁺，再循环利用，
故答案为：将滤液2中Fe²⁺氧化为Fe³⁺，循环利用；
（4）K_sp（PbSO₄）=1.08×10^-8＜K_sp（PbCl₂）=1.6×10^-5，结合沉淀的转化，PbCl₂晶体转化为PbSO₄沉淀是因为PbCl₂中加入稀硫酸破坏了氯化铅的溶解平衡，使溶解平衡正向移动生成硫酸铅，反应的离子方程式为：PbCl₂（s）+SO₄^2-（aq）?PbSO₄ （s）+2Cl^-（aq），
故答案为：PbCl₂（s）+SO₄^2-（aq）?PbSO₄ （s）+2Cl^-（aq）；
（5）铅蓄电池充电时为电解池，放电是为原电池，正极发生还原反应，PbO₂在正极获得电子，硫酸条件下反应生成PbSO₄与水，电极反应式为：PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-=PbSO₄+2H₂O；
原电池总反应为：PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O，2mol硫酸反应时转移2mol电子，消耗的硫酸为5L×（1.5mol/L-1.3mol/L）=1mol，故转移电子为1mol，电解饱和氯化钠溶液，电解池总反应为：2NaCl+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂+2NaOH，根据转移电子守恒，可知参加反应NaCl为1mol，生成H₂、Cl₂各0.5mol，故剩余溶液的质量为400g-0.5mol×（2g/mol+71g/mol）=363.5g，参加反应的NaCl的质量为1mol×58.5g/mol=58.5g，溶液中剩余NaCl为400g×$\frac{32g}{100g+32g}$-58.5g=38.5g，故剩余溶液中NaCl的质量分数为$\frac{38.5g}{363.5g}$×100%=10.6%，
故答案为：PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-=PbSO₄+2H₂O；10.6%．

点评 本题考查物质制备实验方案、原电池与电解原理、化学计算等，正确理解制备工艺流程为解答关键，试题充分考查了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力，难度中等．