Question

利用染化厂的废料铁泥（主要成分是Fe₂O₃、FeO和铁）制备可用于隐形飞机涂层的纳米四氧化三铁的生产流程为图1：

请回答：
（1）过程①主要反应的离子方程式为______．
（2）已知氢氧化亚铁的K_sp=4.87×10^-17，氢氧化铁的K_sp=2.6×10^-39．当溶液中某离子浓度不高于1×10^-5 mol?L^-1时，可以认为该离子已经完全沉淀．通过计算所得数据说明过程②调节pH=9的原因是______．
（3）物质D的主要产物中铁、氢、氧三种元素的质量比为56：1：32，则过程③主要反应的化学方程式为______．
（4）已知Fe²⁺在弱碱性溶液中还原性较强，图2是研究过程④的实验所得，则该反应所需的时间控制在______小时左右，较为适宜．
（5）某工厂处理废铁泥（测得铁元素含量为16.8%）的能力为10吨/小时，生产纳米四氧化三铁的产量为4.64吨/小时．如不考虑过程④以后生产中Fe²⁺的氧化，则该工厂每小时消耗铁粉的质量为______千克．

Answer 1

【答案】分析：（1）过程①为Fe³⁺与Fe反应；
（2）根据水的离子积为1×10^-14，当pH=9时，OH^-的浓度为1×10^-4mol?L^-1，根据氢氧化亚铁的K_sp=1×10^-13，得Fe²⁺的浓度为5×10^-5mol?L^-1；
（3）根据铁、氢、氧三种元素的质量比求D原子最简个数比；
（4）已知Fe²⁺在弱碱性溶液中还原性较强，当时间超过0.16小时，Fe²⁺易氧化，所以最佳反应时间为0.16h；
（5）废料铁泥（主要成分是Fe₂O₃、FeO和铁），依据反应过程分析，最后得到四氧化三铁中铁元素质量除二价铁离子是加入的，三价铁离子全部来源于加入的铁和铁妮中铁元素的质量，依据质量守恒计算得到；
解答：解：（1）Fe³⁺与Fe反应生成Fe²⁺，反应的离子方程式为2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺，故答案为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺；
（2）根据水的离子积为1×10^-14，当pH=9时，OH^-的浓度为1×10^-4mol?L^-1，根据氢氧化亚铁的K_sp=1×10^-13，得Fe²⁺的浓度为5×10^-5mol?L^-1，
故答案为：当pH=9时，Fe²⁺的浓度为5×10^-5mol?L^-1，已完全沉淀；
（3）根据物质D铁、氢、氧三种元素的质量比为56：1：32，则它们的个数比为：1：1：2，故物质D为：FeO（OH），反应的化学方程式为：2Fe（OH）₂+H₂O₂=2FeO（OH）+2H₂O，
故答案为：2Fe（OH）₂+H₂O₂=2FeO（OH）+2H₂O （物质D写成Fe（OH）O或FeHO₂、FeO₂H均可以）；
（4）Fe²⁺在弱碱性溶液中还原性较强，因此我们PH值要在酸性或者强碱性，但Ⅰ．工业生产要考虑生产效率，时间越短要好．Ⅱ．碱性（PH＞9）太强使Fe²⁺沉淀，综合考虑最佳反应时间为0.16h，
故答案为：随着反应时间的增加，溶液的PH下降，可确定该反应的最佳时间是0.16h；
（5）处理废铁泥（测得铁元素含量为16.8%）的能力为10吨/小时，计算每1小时处理的废铁泥得到含铁元素质量=16.8%×10吨=1.68吨；生产纳米四氧化三铁的产量为4.64吨/小时，不考虑过程④以后生产中Fe²⁺的氧化，说明最后得到四氧化三铁中铁元素质量除二价铁离子是加入的，三价铁离子全部来源于加入的铁和铁妮中铁元素的质量，依据铁元素质量守恒计算得到：
每小时生成Fe₃O₄质量为4.64吨，含三价铁元素质量=4.64吨××100%=4.64×=2.24吨，所以加入的铁粉质量=2，24吨-1.68吨=0.56吨=560Kg；
故答案为：560
点评：本题考查铁的氢氧化物和离子积常数的应用，四氧化三铁的工业生产流程的分析判断，调节PH沉淀离子的原理应用，元素守恒的分析计算，掌握实验方案的设计是解题的关键．