Question

【题目】二氧化氯(ClO2)和臭氧(O3)均具有强氧化性，可用于水处理。ClO2是一种易溶于水的黄绿色气体，其体积分数超过10%时易引起爆炸；O3是一种微溶于水的蓝色气体，其体积分数超过25%时容易引起爆炸。

（1）以FeS2作还原剂，在硫酸介质中还原NaClO3制备ClO2，同时得到Fe2(SO4)3、Na2SO4，该反应的化学方程式为___________________________________________________。

（2）以过氧化氢作还原剂，在硫酸介质中还原NaClO3制备ClO2，并将制得的ClO2处理含CN－废水。实验室模拟该过程的实验装置(夹持装置略)如图1所示。

①反应容器B应置于30 ℃左右的水浴中，目的是__________________________________。

②通入氮气的目的除了有利于将ClO2排出，还有_________________________________。

③ClO2处理含CN－废水的离子方程式为_______________________________________。

④装置D的作用是________________________________。

（3）某科研机构经多次实验，利用O3、KCl和工业废渣(主要成分为NaNO3和NaNO2)制得KNO3，相关工艺参数如图2和图3[浓缩蒸发水量＝]。

请选择最佳实验方案，参与完成他们的制备：将100 g废渣加入80 mL热水中，充分搅拌，__________________________________________，在50 ℃恒温水浴锅中充分反应后，过滤，__________________________，趁热过滤，________________________， 过滤得KNO3粗品，再重结晶提纯得到KNO3。(需使用的试剂及用量：60 L 0.008 g/L O3 和80 g KCl固体)

Answer 1

【答案】2FeS2 ＋30NaClO3＋14H2SO4===30ClO2↑ ＋Fe2(SO4)3＋15Na2SO4＋14H2O 提高化学反应速率，同时防止H2O2受热分解(或答：高于30 ℃会导致H2O2分解，低于30 ℃会导致反应速率较低) 稀释ClO2，防止其发生爆炸 2CN－ ＋2ClO2===2CO2＋N2＋2Cl－ 吸收ClO2等气体，防止污染大气 通入60 L 0.008 g·L－1O3充分反应，再加入80 g KCl固体充分反应 然后将溶液浓缩蒸发水量25% 将滤液冷却到10 ℃结晶

【解析】

(1)FeS2中+2价铁元素被氧化为Fe3+，-1价硫元素被氧化为SO42-，NaClO3中+5价氯元素被还原为+4价氯的ClO2。再根据化合价升降守恒和元素守恒配平。

(2)以过氧化氢作还原剂，在硫酸介质中还原NaClO3制备ClO2的原理是：H2O2+2NaClO3+H2SO4=O2↑+2ClO2↑+Na2SO4+2H2O，ClO2处理含CN－废水的原理为：2CN－ ＋2ClO2===2CO2＋N2＋2Cl－。①H2O2作为反应物要防止其受热分解，但是温度太低反应又太慢，实验现象不明显。②氮气很稳定，通入氮气从溶液中赶出ClO2，氮气稀释了ClO2气体，防止ClO2浓度过高发生爆炸。③ClO2具有较强氧化性，被还原为Cl-；CN-具有较强还原性，+2价碳元素被氧化为CO2，-3价氮元素被氧化为N2，由此写离子方程式。④装置D吸收尾气中的ClO2等污染大气的气体。

(3)本试验以工业废渣(主要成分为NaNO3和NaNO2)为原料，用O3将NaNO2氧化为NaNO3，用KCl固体提供K+，利用NaNO3和KNO3的溶解度随温度变化的差异，通过重结晶的方法来制取KNO3。由图2知浓缩蒸发水量在小于25%时KNO3的产率和纯度都较低，浓缩蒸发水量大于25%时KNO3的产率和纯度都有所降低，所以选择浓缩蒸发水量为25%较合适。由图3知冷却结晶温度高于10℃时KNO3的产率迅速减小，冷却温度低于10℃时KNO3的纯度太低，所以冷却结晶温度应选择10℃。

(1) FeS2中+2价铁元素被氧化为Fe3+，-1价硫元素被氧化为SO42-，NaClO3中+5价氯元素被还原为+4价ClO2。根据化合价升降守恒和元素守恒配平，其化学反应方程式为2FeS2 ＋30NaClO3＋14H2SO4===30ClO2↑ ＋Fe2(SO4)3＋15Na2SO4＋14H2O。

(2)以过氧化氢作还原剂，在硫酸介质中还原NaClO3制备ClO2的原理是：H2O2+2NaClO3+H2SO4=O2↑+2ClO2↑+Na2SO4+2H2O。

①H2O2作为反应物要防止其受热分解，但是温度太低反应又太慢，实验现象不明显。②氮气很稳定，通入氮气从溶液中赶出ClO2，氮气稀释了ClO2气体，防止ClO2浓度过高发生爆炸。③ClO2具有较强氧化性，被还原为Cl-；CN-具有较强还原性，+2价碳元素被氧化为CO2，-3价氮元素被氧化为N2，由此写离子方程式。④装置D吸收尾气中的ClO2等污染大气的气体。