Question

6．某工厂对工业生产钛白粉产生的废液进行综合利用，废液中含有大量FeSO₄、H₂SO₄和少量Fe₂（SO₄）₃、TiOSO₄，可用于生产颜料铁红和补血剂乳酸亚铁．其生产工艺流程如图1：

已知：①TiOSO₄可溶于水，在水中可以电离为TiO²⁺和SO₄^2-
②TiOSO₄水解的反应为：TiOSO₄+（x+1）H₂O→TiO₂•xH₂O↓+H₂SO₄．
请回答：
（1）步骤①所得滤渣的主要成分为TiO₂•xH₂O、Fe，
（2）步骤③硫酸亚铁在空气中煅烧生成铁红和三氧化硫，该反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1：4，
（3）步骤④需控制反应温度低于35℃，其目的是防止NH₄HCO₃分解，减少Fe³⁺水解，
（4）步骤④的离子方程式是Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑，
（5）已知：FeCO₃（S）?Fe₂+（aq）+CO₃^2-（aq），试用平衡移动原理解释步骤⑤生成乳酸亚铁的原因FeCO₃（s）?Fe²⁺（aq）+CO₃^2-（aq），CO₃^2-与乳酸反应浓度降低，平衡向右移动，使碳酸亚铁溶解得到乳酸亚铁溶液，
（6）溶液B常被用于电解生产（NH₄）₂S₂O₈（过二硫酸铵）．电解时均用惰性电极，阳极发生的电极反应可表示为2SO₄^2--2e^-═S₂O₈^2-，
（7）Fe₃⁺对H₂O₂的分解具有催化作用．利用图2（a）和（b）中的信息，按图2（c）装置（连通的A、B瓶中已充有NO₂气体）进行实验．可观察到B瓶中气体颜色比A瓶中的深，其原因是H₂O₂分解放热，使平衡2NO₂═N₂O₄向生成NO₂方向移动．

Answer 1

分析 废液中含有大量FeSO₄、H₂SO₄和少量Fe₂（SO₄）₃、TiOSO₄，加铁屑，Fe与H₂SO₄和少量Fe₂（SO₄）₃反应生成FeSO₄，TiOSO₄水解生成TiO₂•xH₂O，过滤，滤渣为TiO₂•xH₂O、Fe，滤液为FeSO₄，FeSO₄溶液通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤得到硫酸亚铁晶体，脱水、煅烧得到氧化铁；FeSO₄溶液中加碳酸氢铵生成碳酸亚铁沉淀、硫酸铵和二氧化碳，碳酸亚铁沉淀加乳酸溶解生成乳酸亚铁溶液和二氧化碳，乳酸亚铁溶液通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤得到乳酸亚铁晶体，
（1）根据以上分析判断步骤①所得滤渣的主要成分TiO₂•xH₂O、Fe；
（2）根据氧化还原方程式并结合概念确定氧化剂和还原剂，进而确定物质的量之比；
（3）加入的碳酸氢铵受热易分解，反应时必须降低温度，温度高同样也会加快Fe²⁺的水解；
（4）由流程图可知，硫酸亚铁与碳酸氢铵反应是碳酸亚铁，还生成气体为二氧化碳，溶液B为硫酸铵溶液；
（5）根据沉淀溶解平衡的移动以及碳酸根离子乳酸之间反应的原理来回答；
（6）B为硫酸铵溶液，通过电解后生成（NH₄）₂S₂O₈和氢气，阳极发生氧化反应，SO₄^2-在阳极失去电子生成S₂O₈^2-．
（7）由图a可知，1mol过氧化氢总能量高于1mol水与0.5mol氧气总能量，故过氧化氢分解是放热反应，由图b可知，2mol二氧化氮的能量高于1mol四氧化二氮的能量，故二氧化氮转化为四氧化二氮的反应为放热反应，所以图c中，右侧烧杯的温度高于左侧，升高温度使2NO₂（红棕色）?N₂O₄（无色）△H＜0，向逆反应方向移动．

解答 解：废液中含有大量FeSO₄、H₂SO₄和少量Fe₂（SO₄）₃、TiOSO₄，加铁屑，Fe与H₂SO₄和少量Fe₂（SO₄）₃反应生成FeSO₄，TiOSO₄水解生成TiO₂•xH₂O，过滤，滤渣为TiO₂•xH₂O、Fe，滤液为FeSO₄，FeSO₄溶液通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤得到硫酸亚铁晶体，脱水、煅烧得到氧化铁；FeSO₄溶液中加碳酸氢铵反应生成碳酸亚铁沉淀、硫酸铵和二氧化碳，碳酸亚铁沉淀加乳酸溶解生成乳酸亚铁溶液和二氧化碳，乳酸亚铁溶液通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤得到乳酸亚铁晶体；
（1）由流程分析可知，步骤①所得滤渣的主要成分为TiO₂•xH₂O、Fe，
故答案为：TiO₂•xH₂O、Fe；
（2）硫酸亚铁在空气中煅烧生成铁红和三氧化硫的方程式为：4FeSO₄+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4SO₃，氧化剂是氧气，还原剂是氧化铁，所以氧化剂和还原剂的物质的量之比为1：4，
故答案为：1：4；
（3）FeSO₄溶液中加碳酸氢铵反应生成碳酸亚铁沉淀、硫酸铵和二氧化碳，步骤④需控制反应温度低于35℃，其目的是防止NH₄HCO₃分解，减少Fe³⁺水解，
故答案为：防止NH₄HCO₃分解，减少Fe³⁺水解；
（4）由流程图可知，硫酸亚铁与碳酸氢铵反应是碳酸亚铁，还生成气体为二氧化碳，溶液B为硫酸铵溶液，反应离子方程式为：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑，
故答案为：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+H₂O+CO₂↑；
（5）碳酸亚铁的沉淀存在溶解平衡：FeCO₃（s）?Fe²⁺（aq）+CO₃^2-（aq），加入乳酸，这样CO₃^2-与乳酸反应浓度降低，平衡向右移动，使碳酸亚铁溶解得到乳酸亚铁溶液，
故答案为：FeCO₃（s）?Fe²⁺（aq）+CO₃^2-（aq），CO₃^2-与乳酸反应浓度降低，平衡向右移动，使碳酸亚铁溶解得到乳酸亚铁溶液；
（6）溶液B为硫酸铵溶液，通过电解后生成（NH₄）₂S₂O₈和氢气，阳极发生氧化反应，SO₄^2-在阳极失去电子生成S₂O₈^2-，阳极电极反应式为：2SO₄^2--2e^-═S₂O₈^2-，
故答案为：2SO₄^2--2e^-═S₂O₈^2-；
（7）由图a可知，1mol过氧化氢总能量高于1mol水与0.5mol氧气总能量，故过氧化氢分解是放热反应，由图b可知，2mol二氧化氮的能量高于1mol四氧化二氮的能量，故二氧化氮转化为四氧化二氮的反应为放热反应，所以图c中，右侧烧杯的温度高于左侧，升高温度使2NO₂（红棕色）?N₂O₄（无色）△H＜0，向逆反应方向移动，即向生成NO₂移动，故B瓶颜色更深，
故答案为：H₂O₂分解放热，使平衡2NO₂═N₂O₄向生成NO₂方向移动．

点评 本题是化学工艺流程题目，是一道金属元素的单质以及化合物性质的综合应用题目，涉及对原理的理解、实验条件下的选择与控制、物质的分离提纯、氧化还原反应、平衡移动原理、滴定计算等，考查学生分析和解决问题的能力，题目难度中等．