Question

10．高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途．
I．高铁酸钾（ K₂FeO₄）不仅是一种理想的水处理剂，而且高铁电池的研制也在进行中．如图1是高铁电池的模拟实验装置：

（1）该电池放电时正极的电极反应式为FeO₄^2-+4H₂O+3e^-=Fe（OH）₃↓+5OH^-；若维持电流强度为1A，电池工作10min，理论消耗Zn0.2g（已知F=96500C/mol）．
（2）盐桥中盛有饱和KC1溶液，此盐桥中氯离子向右移动（填“左”或“右”）；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向左移动（填“左”或“右”）．
（3）图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有使用时间长、工作电压稳定．
Ⅱ．工业上湿法制备K₂FeO₄的工艺流程如图3．

（4）完成“氧化”过程中反应的化学方程式：
2FeCl₃+10NaOH+3NaClO═2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，其中氧化剂是NaClO（填化学式）．
（5）加入饱和KOH溶液的目的是减小高铁酸钾的溶解，促进高铁酸钾晶体析出
（6）已知25℃时Ksp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，此温度下若在实验室中配制5mol/Ll00mL FeCl₃溶液，为使配制过程中不出现浑浊现象，则至少需要加入2.5mL2mol/L的盐酸（忽略加入盐酸体积）．

Answer 1

分析 Ⅰ．根据电池装置，Fe做负极放电，正极上高铁酸钾发生还原反应，均生成相同价态的化合物，高铁酸钾的氧化性很强，能够生成三价铁．
Ⅰ．（1）根据电池装置，Zn做负极，C为正极，高铁酸钾的氧化性很强，正极上高铁酸钾发生还原反应生成Fe（OH）₃；根据电子转移计算Zn的质量；
（2）盐桥可起到平衡电荷，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动；
（3）由图可知高铁电池的优点有：使用时间长、工作电压稳定；
Ⅱ．氯化铁溶液中加入次氯酸钠和氢氧化钠，发生反应为：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，将Na₂FeO₄粗产品在40%KOH溶液中溶解，过滤除去杂质NaCl，加入饱和KOH溶液后，将Na₂FeO₄转化为溶解度更小的K₂FeO₄，反应方程式为Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷却结晶、过滤，高铁酸钾易溶于水，难溶于异丙醇，用异丙醇代替水洗涤产品可以减少高铁酸钾的损耗，同时洗去高铁酸钾晶体表面的KOH和其他杂质，得到纯产品高铁酸钾．
（4）其中Fe元素化合价由+3价升高为+6价，共升高3价，Cl元素化合价由+1价降低为-1，价，共降低2价，化合价升降最小公倍数为6，则FeCl₃的系数为2、NaClO的系数为3，再根据原子守恒配平；所含元素化合价降低的反应物是氧化剂；
（5）加入饱和KOH溶液可以增大K⁺的浓度，减小高铁酸钾的溶解，促进高铁酸钾晶体析出；
（6）根据K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38计算开始沉淀时c（OH^-），再根据水的离子积计算溶液中c（H⁺），根据稀释定律计算需要盐酸的体积；

解答 解：Ⅰ．（1）根据电池装置，Zn做负极，C为正极，高铁酸钾的氧化性很强，正极上高铁酸钾发生还原反应生成Fe（OH）₃，正极电极反应式为：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-，若维持电流强度为1A，电池工作十分钟，通过电子为$\frac{1A×600s}{96500C/mol}$，则理论消耗Zn为$\frac{1A×600s}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×65g/mol=0.2g，
故答案为：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-；02；
（2）盐桥中阴离子移向负极移动，盐桥起的作用是使两个半电池连成一个通路，使两溶液保持电中性，起到平衡电荷，构成闭合回路，放电时盐桥中氯离子向右移动，用某种高分子材料制成阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向左移动，
故答案为：右；左；
（3）由图可知高铁电池的优点有：使用时间长、工作电压稳定，
故答案为：使用时间长、工作电压稳定；
Ⅱ．氯化铁溶液中加入次氯酸钠和氢氧化钠，发生反应为：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，将Na₂FeO₄粗产品在40%KOH溶液中溶解，过滤除去杂质NaCl，加入饱和KOH溶液后，将Na₂FeO₄转化为溶解度更小的K₂FeO₄，反应方程式为Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷却结晶、过滤，高铁酸钾易溶于水，难溶于异丙醇，用异丙醇代替水洗涤产品可以减少高铁酸钾的损耗，同时洗去高铁酸钾晶体表面的KOH和其他杂质，得到纯产品高铁酸钾．
（4）其中Fe元素化合价由+3价升高为+6价，共升高3价，Cl元素化合价由+1价降低为-1，价，共降低2价，化合价升降最小公倍数为6，则FeCl₃的系数为2、NaClO的系数为3，再根据原子守恒配平后反应方程式为：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO═2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，NaClO是氧化剂，
故答案为：2、10、3、2、9、5；NaClO；
所含元素化合价降低的反应物是氧化剂；
（5）加入饱和KOH溶液可以增大K⁺的浓度，减小高铁酸钾的溶解，促进高铁酸钾晶体析出，
故答案为：减小高铁酸钾的溶解，促进高铁酸钾晶体析出；
（6）溶液中c（Fe³⁺）=5mol/L，根据K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38，可知开始沉淀时c（OH^-）=2×10^-13mol/L，则溶液中c（H⁺）=$\frac{10{\;}^{-14}}{2×10{\;}^{-13}}$mol/L=0.05mol/L，根据稀释定律，需要盐酸的体积$\frac{0.05mol/L×100mL}{2mol/L}$=2.5mL，
故答案为：2.5．

点评 本题考查原电池工作原理、物质制备工艺流程，侧重考查物质制备方法的分析应用，掌握物质性质和平衡移动原理以及化学电池工作原理是解题关键，（1）中电极反应式书写为难点，题目应该给出一定的信息，题目难度中等．