Question

【题目】粉煤灰是燃煤产生的重要污染物，主要成分有Al2O3、Fe2O3、Fe3O4和SiO2等物质。综合利用粉煤灰不仅能够防止环境污染，还能获得纳米Fe2O3等重要物质。

已知：

i)伯胺R－NH2能与Fe3＋反应：3R－NH2＋Fe3＋＋SO42－＋H2OFe(NH2－R)3(OH)SO4＋H＋生成易溶于煤油的产物。

ii)Fe3＋在水溶液中能与Cl－反应：Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，回答下列问题：

(1)过程I对煤粉灰进行酸浸过滤后，滤渣的主要成分是_____________。

(2)写出过程Ⅱ加入过量H2O2发生的离子方程式_____________。加入伯胺－煤油对浸取液进行分离，该操作的名称是_____________。

(3)从化学平衡角度解释过程Ⅲ利用NaCl溶液进行反萃取的原理_____________。

(4)过程Ⅳ中过量的N2H4将水层2中[FeCl6]3－转化为Fe2＋，得到的Fe2＋再被O2氧化为FeOOH，其中第一步的离子方程式为4[FeCl6]3－＋5N2H4＝4Fe2＋＋N2＋4N2H5＋＋24Cl－，该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_______________。

(5)在常压用纳米Fe2O3电化学法合成氨的装置如图所示。已知电解液为熔融NaOH－KOH，纳米Fe2O3在阴极发生电极反应分两步进行：

第一步：Fe2O3＋3H2O＋6e－＝2Fe＋6OH－；

第二步：2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3。

则该电解池发生总反应的化学方程式为___________________________________，纳米Fe2O3在电解过程中所起的作用是___________________________________。

(6)某特殊的磁流体材料，其化学式通式为KxFeO2(其组成可理解为aK2O·bFeO·cFe2O3)，若x平均值为1.3，则磁流体中Fe3＋和Fe2＋的质量之比为___________。

Answer 1

【答案】SiO2 2Fe2＋+H2O2+2H+＝2Fe3＋+2H2O 萃取、分液 Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，Cl－结合Fe3＋，Fe3＋浓度减小，促使3R－NH2＋Fe3＋＋SO42－＋H2OFe(NH2－R)3(OH)SO4＋H＋平衡逆向移动，实现反萃取 4:1 2N2＋6H2O2NH3＋3O2 催化剂 7:3

【解析】

粉煤灰中Al2O3、Fe2O3、Fe3O4与硫酸反应生成可溶性硫酸铝、硫酸铁、硫酸亚铁，SiO2与硫酸不反应，过滤后的滤渣成分是SiO2；滤液中的Fe2＋被过氧化氢氧化为Fe3＋，伯胺R－NH2能与Fe3＋反应生成易溶于煤油的产物，分液后Fe(NH2－R)3(OH)SO4存在煤油中，有机层加入氯化钠溶液反萃取，发生Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，[FeCl6]3－中加入过量N2H4生成Fe2＋，通入适量氧气氧化为FeOOH，煅烧生成纳米Fe2O3。

(1)过程I对煤粉灰进行酸浸过滤后，SiO2与硫酸不反应，过滤后的滤渣成分是SiO2。

(2)过程Ⅱ加入过量H2O2把Fe2＋被过氧化氢氧化为Fe3＋，反应的离子方程式是2Fe2＋+ H2O2+2H+＝2Fe3＋+ 2H2O。加入伯胺－煤油对浸取液进行分离，Fe(NH2－R)3(OH)SO4进入煤油层，该操作的名称是萃取、分液。

(3)加入NaCl溶液，发生反应Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，Cl－结合Fe3＋，Fe3＋浓度减小，促使3R－NH2＋Fe3＋＋SO42－＋H2OFe(NH2－R)3(OH)SO4＋H＋平衡逆向移动，实现反萃取。

(4)4[FeCl6]3－＋5N2H4＝4Fe2＋＋N2＋4N2H5＋＋24Cl－，该反应中Fe元素化合价由+3降低为+2，[FeCl6]3－是氧化剂，N元素化合价由-2升高为0，N2H4是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为4:1。

(5)电解液为熔融NaOH－KOH，纳米Fe2O3在阴极发生电极反应分两步进行：第一步：Fe2O3＋3H2O＋6e－＝2Fe＋6OH－，第二步：2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3。阴极反应为N2＋6H2O＋6e－=2NH3＋6OH－；阳极反应是4OH－-4e－=2H2O+O2，根据电子守恒，该电解池发生总反应的化学方程式为2N2＋6H2O2NH3＋3O2，总反应没有消耗纳米Fe2O3，所以纳米Fe2O3在电解过程中所起的作用是催化剂。

(6)化学式通式为KxFeO2，根据化合价代数和等于0，设Fe3＋为y个，则Fe2＋为(1-y)个，若x平均值为1.3，1.3×1＋3y＋2(1-y)－2×2＝0，y=0.7，则磁流体中Fe3＋和Fe2＋的质量之比为0.7：0.3=7:3。