Question

某硫酸工厂的酸性废水中砷（As）元素含量极高，为控制砷的排放，采用化学沉降法处理含砷废水，工艺流程如下：

相关数据如下表，请回答以下问题：

表1．几种盐的K_sp

难溶物	Ksp
Ca3(AsO4)2	6.8×10^－^19
CaSO4	9.1×10^－^6
FeAsO4	5.7×10^－^21

表2．工厂污染物排放浓度及允许排放标准

污染物	H2SO4	As
废水浓度	29.4g/L	1.6g·L^－^1
排放标准	pH 6～9	0.5mg·L^－^1

（1）该硫酸工厂排放的废水中硫酸的物质的量浓度c(H₂SO₄)=            mol·L^－1。

（2）若酸性废水中Fe³⁺的浓度为1.0×10^－4mol·L^－1，c(AsO₄^3－)=           mol·L^－1。

（3）工厂排放出的酸性废水中的三价砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先将其氧化成五价砷（H₃AsO₄弱酸），MnO₂被还原为Mn^2＋，反应的离子方程式为                                              。

（4）在处理含砷废水时采用分段式，先向废水中投入生石灰调节pH到2，再投入生石灰将pH调节到8左右使五价砷以Ca₃(AsO₄)₂形式沉降。

①将pH调节到2时废水中有大量沉淀产生，沉淀主要成分的化学式为              ；

②Ca₃(AsO₄)₂在pH调节到8左右才开始沉淀，原因为                               

                                                                            。

③砷酸（H₃AsO₄）分步电离的平衡常数(25℃)为：K₁=5.6×10^－3  K₂=1.7×10^－7  K₃=4.0×10^－12，第三步电离的平衡常数的表达式为K₃=                            。Na₃AsO₄的第一步水解的离子方程式为：AsO₄^3－+H₂OHAsO₄^2－+OH^－，该步水解的平衡常数（25℃）为：                   （保留两位有效数字）。

Answer

（17分）

（1）0.3 （2分）

（2）5.7×10－17（2分）

（3）2H＋+MnO2+H3AsO3==H3AsO4+Mn2＋+H2O （3分）

（4）①CaSO4 （2分）

②H3AsO4是弱酸，当溶液中pH调节到8左右，c(AsO43－)增大，Ca3(AsO4)2开始沉淀（3分）[或：pH增大，促进H3AsO4电离，c(AsO43－)增大，Qc=c3(Ca2＋)·c2(AsO43－)≥Ksp[Ca3(AsO4)2，Ca3(AsO4)2才沉淀]

③ （2分）       2.5×10－3（3分）

【解析】

试题分析：（1）读表2中信息，以1L废水为研究对象，其中含有29.4gH2SO4，由于硫酸的相对分子质量为98，m/M=n，则n(H2SO4)=29.4g÷98g/mol=0.3mol，由于c=n/V，则c(H2SO4)=0.3mol÷1L=0.3mol/L；（2）FeAsO4是难溶盐，废水中存在其沉淀溶解平衡：FeAsO4 (s)Fe3++AsO43－，则Ksp(FeAsO4)=c(Fe3+)•c(AsO43－)，所以c(AsO43－)= Ksp(FeAsO4)/c(Fe3+)=5.7×10－21/1.0×10－4 mol·L－1=5.7×10－17 mol·L－1；（3）H3AsO3失去2个电子被氧化为H3AsO4，MnO2得到2个电子被还原为Mn2＋，废水是酸性溶液，根据电子、电荷、原子守恒原理可得：2H＋+MnO2+H3AsO3==H3AsO4+Mn2＋+H2O；（4）①由于CaO+2H+==Ca2++H2O，读表1中信息可知，加入生石灰调解pH到2时，增大钙离子浓度，使CaSO4 (s)Ca2++SO42－的平衡向左移动，析出CaSO4沉淀[加入生石灰调解pH到2时，增大钙离子浓度，使Qc=c(Ca2＋)·c(SO42－)≥Ksp[CaSO4)，开始析出CaSO4沉淀]；②H3AsO4是弱酸，当溶液中pH调节到8左右，c(AsO43－)增大，Ca3(AsO4)2 (s) 3Ca2++2AsO43－的平衡向左移动，开始析出Ca3(AsO4)2沉淀[或pH增大，促进H3AsO4电离，c(AsO43－)增大，Qc=c3(Ca2＋)·c2(AsO43－)≥Ksp[Ca3(AsO4)2，Ca3(AsO4)2才沉淀]；③多元弱酸分步电离，则H3AsO4H++H2AsO4－、H2AsO4－H++HAsO42－、HAsO42－H++AsO43－，根据平衡常数定义式可得，第三步电离平衡常数K3=[ c(H+)• c(AsO43－)]/ c(HAsO42－)；水的离子积常数Kw= c(H+)• c(OH－)，AsO43－+H2OHAsO42－+OH－的平衡常数的计算表达式为[c(HAsO42－)•c(OH－)]/ c(AsO43－)，分子、分母同时乘以c(H+)，则水解平衡常数=[c(HAsO42－)•c(OH－)• c(H+)]/[ c(H+)•c(AsO43－)]= Kw/K3=（1.0×10－14）÷（4.0×10－12）=2.5×10－3。

考点：考查含砷等废水处理工艺流程，涉及质量、摩尔质量、物质的量、溶液体积、物质的量浓度、溶度积计算、关键步骤的离子方程式、调解pH分步沉淀的原理、沉淀的成分、解释原因、电离平衡常数、水的离子积、盐类水解平衡常数的计算等。