Question

3．铁元素是重要的金属元素，铁单质及化合物在工业和生活中也有广泛的用途．
（1）在实验室中，FeCl₂可用铁粉和盐酸反应制备，FeCl₃可用铁粉和氯气反应制备．
（2）高铁酸钾（K₂FeO₄）是一种强氧化剂，可作为水处理剂和高容量电池材料．FeCl₃与KClO在强碱性条件下反应制取K₂FeO₄，其反应的离子方程式为2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O．与MnO₂-Zn电池类似，K₂FeO₄-Zn也可组成碱性电池，该电池的总反应的离子方程式为3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-．
（3）铁与水反应：3Fe（s）+4H₂O（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H＜0上述反应的平衡常数表达式K=$\frac{[{H}_{2}]{\;}^{4}}{[{H}_{2}O]^{4}}$．
（4）若在2L恒容绝热（不与外界交换能量）装置中，按下表充入起始物质，起始时与平衡后的物质的物质的量见下表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
起始/mol	3.0	4.0	0	0
平衡/mol	m	n	p	q

达平衡后，若再加入四种物质，各物质的物质的量如下表：

	Fe	H2O（g）	Fe3O4	H2
A/mol	3.0	4.0	0	0
B/mol	0	0	1.0	4.0
C/mol	m	n	p	q

当重新达到平衡状态后，上述各装置中H₂的百分含量按由大到小的顺序排列的关系是B＞C＞A（用A、B、C表示）．
（5）已知常温下：Fe（OH）₃的K_sp[Fe（OH）₃]=1.0×10^-39，K_sp[Mg（OH）₂]=1.0×10^-12，若将MgCl₂、FeCl₃均为0.1mol•L^-1混合溶液中的pH用MgO调节至pH=4，则溶液中$\frac{c（M{g}^{2+}）}{c（F{e}^{3+}）}$比值约为10⁸．

Answer 1

分析 （1）依据二价铁离子与三价铁离子之间转化解答；
（2）FeCl₃与KClO在强碱性条件下反应生成K₂FeO₄，依据得失电子守恒、原子个数守恒书写方程式；
K₂FeO₄-Zn也可以组成碱性电池，K₂FeO₄在电池中作为正极材料，负极为锌失电子发生氧化反应，电极反应Zn-2e^-+2OH^-=Zn（OH）₂；依据产物和电子守恒写出正极反应：FeO₄^2-+3eˉ+4H₂O→Fe（OH）₃+5OHˉ；有正极反应和负极反应合并得到电池反应；
（3）平衡常数表达式等于生成物浓度幂之积除以反应物浓度幂之积，固体与纯液体不代入表达式；
（4）恒容绝热根据反应时温度变化，判断平衡移动，分析氢气的百分含量；
（5）依据氢氧化铁、氢氧化镁溶度积常数计算解答．

解答 解：（1）三价铁离子具有氧化性，能够与铁反应生成二价铁离子，所以在实验室中，FeCl2可用铁粉和氯化铁反应制备；二价铁离子具有还原性，能够被氯气氧化生成三价铁离子，所以FeCl₃可用铁粉和 氯气反应制备；
故答案为：盐酸；氯气；
（2）用FeCl₃与KClO在强碱性条件下反应制取K₂FeO₄，反应的离子方程式为2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O，
原电池的负极发生氧化反应，正极电极反应式为：①FeO₄^2-+3eˉ+4H₂O=Fe（OH）₃+5OH^-；负极电极反应为：②Zn-2e^-+2OH^-=Zn（OH）₂；依据电极反应的电子守恒，①×2+②×3合并得到电池反应为：3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-，
故答案为：2Fe³⁺+3ClO^-+10OH^-=2FeO₄^2-+3Cl^-+5H₂O；3Zn+2FeO₄^2-+8H₂O=3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4OH^-；
（3）3Fe（s）+4H₂O（g）?Fe₃O₄（s）+4H₂（g）△H＜0，反应的平衡常数表达式K=$\frac{[{H}_{2}]{\;}^{4}}{[{H}_{2}O]^{4}}$；
故答案为：K=$\frac{[{H}_{2}]{\;}^{4}}{[{H}_{2}O]^{4}}$；
（4）由于反应前后气体体积相等，所以C条件下，平衡不移动，氢气的体积分数与平衡是相同；A状况下，反应正向进行生成氢气，反应放出热量使容器温度升高，抑制反应继续生成氢气，故氢气体积分数较低，B状况下反应逆向进行生成Fe和水，是吸热过程，使容器温度降低，抑制反应继续消耗氢气，所以氢气的体积分数较高，故H₂的百分含量按由大到小的顺序排列：B＞C＞A；
故答案为：B＞C＞A；
（5）pH=4，则[H⁺]=10^-4mol/L，依据[H⁺][OH^-]=10^-14，得[OH^-]=10^-10mol/L，
Qc[（Mg（OH）₂]=0.1mol/L×（10^-10mol/L）²=10^-21（mol/L）²，Qc＜K_sp[Mg（OH）₂]，镁离子未沉淀，则镁离子浓度C=0.1mol/L；
Qc[Fe（OH）₃]=0.1mol•L^-1×（10^-10mol/L）³=10^-31（mol/L）³，Qc[Fe（OH）₃]＞K_sp[Fe（OH）₃]，则溶液中三价铁离子浓度C（Fe³⁺）=$\frac{Ksp}{C{\;}^{3}（OH{\;}^{-}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-}{\;}^{10}）{\;}^{3}}$=1.0×10^-9mol/L；
则：则溶液中$\frac{c（M{g}^{2+}）}{c（F{e}^{3+}）}$比值约为$\frac{0.1}{1{0}^{-9}}$=10⁸，
故答案为：10⁸．

点评 本题为综合题，考查了不同价态铁元素之间转化，化学平衡常数表达式书写、有关溶度积常数计算，题目难度较大，准确把握化学平衡理论是解题关键．