Question

聚合硫酸铁、明矾可用作净水剂。某课题组拟以废弃的铝铁合金为原料制备聚合硫酸铁和明矾，设计化工流程如下：

已知：聚合硫酸铁能溶于水，微溶于乙醇，其化学式可表示为[Fe₂(OH)_x(SO₄)_y]_n。

(1)在聚合硫酸铁中，x、y之间的关系是_______________。试剂X中溶质的化学式为______。

(2)写出上述流程图中的“氧化”的离子方程式：______________该设计存在缺陷，请提出改进意见；________

(3)加入试剂Y的目的是为了调节溶液的pH，若Y为氧化物，写出调节pH的离子方程式：_____

(4)已知常温下Fe(OH)₃和Mg(OH)₂的K_sp分别为8.0×10^-38、1.0×10^-11，向浓度均为0.1mol/L的FeCl₃、MgCl₂ 的混合溶液中加入碱液，要使Fe³⁺ 刚好完全沉淀的pH为____，而Mg²⁺刚好开始要沉淀的pH为__________。（已知lg 2=0.3）

Answer

x+2y=6 KOH 3Fe2+ +4H+ + NO3— == 3Fe3+ + NO ↑ +2H2O 将稀硝酸改为双氧水或通入氧气 Fe2O3+6H+＝2Fe3++3H2O 3.3 9

【解析】

由流程可知，废弃的铝铁合金加入氢氧化钾溶液浸泡，铝反应得到偏铝酸钾溶液，过滤后滤液经一系列操作反应生成硫酸铝钾，滤渣中加入稀硫酸和铁，反应生成硫酸亚铁，加入稀硝酸氧化为硫酸铁，加入试剂Y调节溶液的pH值，但不能引入新的杂质，加入氧化铁和酸反应来调节溶液的pH值，酸性越强，对铁离子水解程度抑制越大，生成氢氧化铁越少，得到溶液通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，可以得到聚合硫酸铁；

(1) 根据化合价的代数和为零分析计算；根据铝能与强碱反应，铁不与强碱反应分析加入的试剂X；

(2) 流程图中的“氧化”的过程是硝酸将Fe2+氧化为Fe3+的过程，据此书写离子方程式；从能够引入新杂质的角度分析存在的缺陷；

(3)加入氧化铁，和酸反应调节溶液的pH，不引入新的杂质，由此书写离子方程式；

(4)根据Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)c3(OH-)和Ksp[Mg(OH)2]=c(Mg2+)c2(OH-)计算出c(OH-)进一步计算pH。

(1) 根据化合价的代数和为零可知(+3)×2+(-1)×x+(-2)×y=0，因此可得x、y之间的关系为x+2y=6；铝能与强碱反应，铁不与强碱反应，再结合不引入新杂质的原则，可知加入的试剂X为KOH；

(2) 流程图中的“氧化”的过程是硝酸将Fe2+氧化为Fe3+的过程，离子方程式为：3Fe2+ +4H+ + NO3- = 3Fe3+ + NO ↑ +2H2O；流程中氧化过程中加入稀硝酸，会引入新的杂质，可将稀硝酸改为双氧水或通入氧气；

(3) 加入氧化铁，和酸反应调节溶液的pH，不引入新的杂质，因此离子方程式为：Fe2O3+6H+＝2Fe3++3H2O；

(4) 因Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)c3(OH-)，那么c(OH-)===2×10-13×mol/L，因Ksp[Mg(OH)2]=c(Mg2+)c2(OH-)，那么c(OH-)===1.0×10-5mol/L，此时即要使Fe3+ 刚好完全沉淀，c(OH-)=2×10-13×mol/L，那么c(H+)=，此时溶液的pH=3.3；Mg2+刚好开始要沉淀，c(OH-)=1.0×10-5mol/L，那么c(H+)==10-9mol/L，此时pH=9。