Question

4．为保护环境，充分利用资源，某研究小组通过如下简化流程，将工业制硫酸的硫铁矿烧渣（铁主要以Fe₂O₃存在）转变成重要的化工原料FeSO₄（反应条件略）．

活化硫铁矿还原Fe³⁺的主要反应为：FeS₂+7Fe₂（SO₄）₃+8H₂O═15FeSO₄+8H₂SO₄，不考虑其他反应．请回答下列问题：
（1）检验第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全还原，应选择C（填字母编号）．
A．KMnO₄溶液          B．K₃[Fe（CN）₆]溶液            C．KSCN溶液
（2）第Ⅲ步加FeCO₃调溶液pH到5.8左右，然后在第Ⅳ步通入空气使溶液pH降到5.2，此时Fe²⁺不沉淀，滤液中铝、硅杂质被除尽．通入空气引起溶液pH降低的原因是：氧气可以将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，Fe³⁺离子水解生成H⁺．
（3）FeSO₄可转化为FeCO₃，FeCO₃在空气中加热反应可制得铁系氧化物材料．
已知25℃，101kPa时：
4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe₂O₃（s）△H═-1648kJ•mol^-1
C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H═-393kJ•mol^-1
2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H═-1480kJ•mol^-1
FeCO₃在空气中加热反应生成Fe₂O₃的热化学方程式为：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ/mol．
（4）FeSO₄在一定条件下可制得FeS₂（二硫化亚铁）纳米材料．该材料可用于制造高容量锂电池，电池放电的总反应为4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，则正极反应式是：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-．
（5）煅烧某硫铁矿样品，发生反应：FeS₂+O₂Fe₂O₃+SO₂（未配平），已知该硫铁矿样品中FeS₂的质量分数为90.0%，假设杂质不参加反应，煅烧10t该硫铁矿，理论上产生SO₂的体积（标准状况）为3.36×10⁶L；制得98%的硫酸质量为15t．

Answer 1

分析 硫铁矿烧渣用硫酸浸取，过滤后滤液中含有硫酸铁、未反应的硫酸，用活化硫铁矿还原Fe³⁺后过滤，向滤液中加入FeCO₃调节溶液pH，过滤后在通入空气、调节溶液pH，除去溶液中杂质离子，过滤浓缩结晶得到FeSO₄晶体．
（1）用KSCN 溶液检验第Ⅱ步中Fe³⁺是否完全还原；
（2）氧气可以讲亚铁离子氧化为铁离子，铁离子水解使溶液pH降低；
（3）发生反应：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减，构造目标热化学方程式；
（4）电池放电时的总反应为：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正极发生还原反应，FeS₂获得电子生成Fe、S^2-；
（5）发生反应4FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂，2SO₂+O₂=2SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄，依据元素守恒和转化率结合化学方程式定量关系计算；

解答 解：硫铁矿烧渣用硫酸浸取，过滤后滤液中含有硫酸铁、未反应的硫酸，用活化硫铁矿还原Fe³⁺后过滤，向滤液中加入FeCO₃调节溶液pH，过滤后在通入空气、调节溶液pH，除去溶液中杂质离子，过滤浓缩结晶得到FeSO₄晶体．
（1）KMnO₄溶液、K₃[Fe（CN）₆]溶液可以检验有Fe²⁺生成，取第Ⅱ步反应中溶液少许与试管中，滴加KSCN 溶液，若溶液不变红色，说明Fe³⁺完全被还原，
故答案为：C；
（2）氧气可以将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，Fe³⁺离子水解生成H⁺，使溶液pH降低，
故答案为：氧气可以将Fe²⁺离子氧化为Fe³⁺离子，Fe³⁺离子水解生成H⁺；
（3）发生反应：4FeCO₃+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2Fe₂O₃+4CO₂，
已知：①4Fe（s）+3O₂（g）═2Fe₂O₃（s）△H=-1648kJ/mol
②C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393kJ/mol
③2Fe（s）+2C（s）+3O₂（g）═2FeCO₃（s）△H=-1480kJ/mol
根据盖斯定律，①-③×2+②×④可得4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g），故△H=-1648kJ/mol-2×（-1480kJ/mol）+4×（-393kJ/mol）=-260kJ/mol，
故反应热化学方程式为：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ/mol，
故答案为：4FeCO₃（s）+O₂（g）=2Fe₂O₃（s）+4CO₂（g）△H=-260kJ/mol；
（4）电池放电时的总反应为：4Li+FeS₂═Fe+2Li₂S，正极发生还原反应，FeS₂获得电子生成Fe、S^2-，正极电极反应式为：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-，
故答案为：FeS₂+4e^-=Fe+2S^2-；
（5）4FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂，2SO₂+O₂=2SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄，已知该硫铁矿样品中FeS₂的质量分数为90.0%，假设杂质不参加反应，煅烧10t该硫铁矿，理论上产生SO₂的体积（标准状况）为x，生成98%的硫酸质量为y：
 FeS₂～～～～2SO₂～～～～2H₂SO₄
 120          2×22.4   2×98
 1×10⁷g×90%   V      m×98%
V=3.36×10⁶ L
m=1.5×10⁷g=15t
故答案为：3.36×10⁶；15．

点评 本题以化学工艺流程为载体，考查离子方程式书写、离子检验、热化学方程式书写、电极反应式、化学计算等，需要学生熟练掌握元素化合物知识，（5）中计算为易错点、难点，注意利用守恒法计算，避免计算繁琐，较好的考查学生分析计算能力，题目难度中等．