Question

9．高铁酸钾（K₂FeO₄）是一种高效多功能水处理剂，具有极强的氧化性．
（1）已知：4FeO₄^2-+10H₂O?4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑．K₂FeO₄在处理水的过程中所起的作用有K₂FeO₄具有强氧化性，能够消毒杀菌；同时FeO₄^2-被还原成Fe³⁺，Fe³⁺水解形成Fe（OH）₃胶体，能够吸附水中悬浮杂质．同浓度的高铁酸钾在pH为4.74、7.00、11.50的水溶液中最稳定的是pH=11.50的溶液．
（2）高铁酸钾有以下几种常见制备方法：

干法	Fe2O3、KNO3、KOH混合加热共熔生成紫红色高铁酸盐和KNO2等产物
湿法	强碱性介质中，Fe（NO3）3与NaClO反应生成紫红色高铁酸盐溶液
电解法	制备中间产物NaFeO，再与KOH溶液反应

①干法制备K₂FeO₄的反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为3：1．
②湿法制备中，若Fe（NO₃）₃加入过量，在碱性介质中K₂FeO₄与Fe³⁺发生氧化还原反应生成K₃FeO₄，此反应的离子方程式：2FeO₄^2-+Fe³⁺+8OH^-=3FeO₄^3-+4H₂O．
③制备中间产物Na₂FeO₄，可采用的装置如图所示，则阳极的电极反应式为Fe+8OH^--6e^-═FeO₄^2-+4H₂O．
（3）比亚迪双模电动汽车使用高铁电池供电，其总反应为：
3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O$?_{充电}^{放电}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH
放电时负极材料为Zn，正极反应为：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃+5OH^-．
（4）25℃时，CaFeO₄的Ksp=4.54×l0^-9，若要使1000L，含有2.0×l0^-4 mol•L^-lK₂FeO₄的废水中的c（FeO₄^2-）有沉淀产生，理论上至少加入Ca（OH）₂的物质的量为2.27×10^-2mol．

Answer 1

分析 （1）高铁酸钾（K₂FeO₄）具有极强的氧化性，是一种优良的水处理剂，起到杀菌消毒作用，形成胶体具有吸附悬浮杂质的作用；依高铁酸根离子水解平衡移动的影响因素解答；
（2）①Fe₂O₃、KNO₃、KOH混合加热发生氧化还原反应，Fe元素化合价升高，化合价由+3价升高到+6价，被氧化，N元素化合价由+5价降低到+3价，依据氧化还原反应得失电子守恒规律计算；
②由信息可知，碱性介质中K₂FeO₄与Fe³⁺发生氧化还原反应生成K₃FeO₄，根据元素守恒还应生成H₂O，反应中FeO₄^2-→FeO₄^3-，铁元素化合价由+6价降低为+5价，总共降低1价，Fe³⁺→FeO₄^3-，铁元素化合价由+3价升高为+5价，总共升高2价，化合价升降最小公倍数为2，所以FeO₄^2-系数为2，Fe³⁺系数为1，根据铁元素守恒确定FeO₄^3-系数，根据电荷守恒确定OH^-系数，根据氢元素守恒确定H₂O系数，检查氧元素守恒，据此写出氧化还原反应方程式；
③电解时阳极Fe失电子发生氧化反应，被氧化生成高铁酸根离子；
（3）放电时，为原电池，依据3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O $?_{充电}^{放电}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，锌化合价升高，发生氧化反应，做负极，高铁酸根离子在正极得到电子，发生还原反应生成氢氧化铁；
（4）依据溶度积规则，当Qc=Ksp达到沉淀溶解平衡，要产生沉淀则Qc＞Ksp，据此解答．

解答 解：（1）K₂FeO₄具有强氧化性，能够消毒杀菌；同时FeO₄^2- 被还原成Fe³⁺，Fe³⁺水解形成Fe（OH）₃胶体，能够吸附水中悬浮杂质；4FeO₄^2-+10H₂O?4Fe（OH）₃+8OH^-+3O₂↑，增大溶液中的氢氧根离子浓度，能够使平衡逆向移动，抑制高铁酸根离子的水解，所以同浓度的高铁酸钾在pH为11.50的水溶液中最稳定；
故答案为：K₂FeO₄具有强氧化性，能够消毒杀菌；同时FeO₄^2- 被还原成Fe³⁺，Fe³⁺水解形成Fe（OH）₃胶体，能够吸附水中悬浮杂质；11.50；
（2）①Fe元素化合价升高，化合价由+3价升高到+6价，被氧化，Fe₂O₃做还原剂；N元素化合价由+5价降低到+3价，
KNO₃做氧化剂，设氧化剂物质的量为xmol，还原剂物质的量为ymol，要使氧化剂得到电子总数等于还原剂失去电子总数，x×（5-3）=y×2×（6-3），解得x：y=3：1；
故答案为：3：1；
②由信息可知，碱性介质中K₂FeO₄与Fe³⁺发生氧化还原反应生成K₃FeO₄，根据元素守恒还应生成H₂O，反应中FeO₄^2-→FeO₄^3-，铁元素化合价由+6价降低为+5价，总共降低1价，Fe³⁺→FeO₄^3-，铁元素化合价由+3价升高为+5价，总共升高2价，化合价升降最小公倍数为2，所以FeO₄^2-系数为2，Fe³⁺系数为1，根据铁元素守恒确定FeO₄^3-系数为3，根据电荷守恒确定OH^-系数8，根据氢元素守恒确定H₂O系数为4，反应离子方程式为2FeO₄^2-+Fe³⁺+8OH^-=3FeO₄^3-+4H₂O；
故答案为：2FeO₄^2-+Fe³⁺+8OH^-=3FeO₄^3-+4H₂O；
③电解时阳极Fe失电子发生氧化反应，电极反应方程式为Fe+8OH^--6e^-═FeO₄^2-+4H₂O；
故答案为：Fe+8OH^--6e^-═FeO₄^2-+4H₂O；
（3）放电时，为原电池，依据3Zn+2K₂FeO₄+8H₂O $?_{充电}^{放电}$3Zn（OH）₂+2Fe（OH）₃+4KOH，锌化合价升高，发生氧化反应，做负极，高铁酸根离子在正极得到电子，发生还原反应生成氢氧化铁，电极反应式为：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃+5OH^-；
故答案为：Zn；FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃+5OH^-；
（4）解：设加入Ca（OH）₂的物质的量为xmol，则溶液中钙离子浓度为x×10^-3mol/L，含有2.0×l0^-4 mol•L^-lK₂FeO₄的废水中的c（FeO₄^2-）=2.0×l0^-4 mol•L^-l，
Qc=x×10^-3mol/L×2.0×l0^-4 mol•L^-l=Ksp=4.54×l0^-9；
解得：x=2.27×10^-2；
故答案为：2.27×10^-2．

点评 本题为综合题，考查了氧化还原反应方程式的书写及配平、电极反应式的书写、溶度积规则的应用，题目难度较大，明确物质的性质及题给信息、熟悉化合物中各元素化合价、沉淀溶解平衡规律是解本题关键，氧化还原方程式的书写是难点．