Question

绿水青山是习近平总书记构建美丽中国的伟大构想，可用化学实现“化废为宝”。工业上利用废铁屑（含少量氧化铝、铁的氧化物等）生产碱式硫酸铁 （是一种用于污水处理的新型高效絮凝剂）工艺流程如下：

已知：部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：

回答下列问题：

（1）用稀硫酸浸废铁屑后溶液中主要的金属阳离子有______________。

（2）写出酸浸过程中Fe₃O₄发生的离子反应方程式：___________________________。

（3）加入少量NaHCO₃的目的是调节pH在________________范围内。

（4）已知室温下，Al(OH)₃ 的K_sp=1.3×10^-33，在pH=5时，溶液中的c(Al³⁺)=________。

（5）反应Ⅱ中入NaNO₂的目的是氧化亚铁离子，写出该反应的离子方程式为 _____。

（6）碱式硫酸铁溶于水后生成的Fe(OH)²⁺离子可部分水解生成Fe₂(OH)₄²⁺聚合离子，该水解反应的离子方程式为__________________________。

（7）为测定含Fe²⁺和Fe³⁺溶液中铁元素的总含量，实验操作如下：准确量取20.00 mL溶液于带 塞锥形瓶中，加入足量H₂O₂，调节pH<2，加热除去过量H₂O₂；加入过量KI充分反应后， 再用0.1000 mol·L^-1Na₂S₂O₃ 标准溶液滴定至终点，消耗标准溶液20.00 mL。已知：2Fe³⁺+2I^-=2Fe³⁺+I₂，I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-则溶液中铁元素的总含量为__________g·L^-1。

Answer

Fe2+、Al3+ Fe3O4+8H+===2Fe3++Fe2++4H2O 4.4≤pH<7.5 1.3×10-6 2H++Fe2++NO2-===Fe3++NO↑+H2O 2Fe(OH)2++2H2O⇋ Fe2(OH)42++2H+ 5.6

【解析】

废铁屑中含少量氧化铝、铁的氧化物等，将过量废铁屑加入稀硫酸中，氧化铝反应生成硫酸铝，铁的氧化物反应生成硫酸铁和硫酸亚铁，过量的铁屑与三价铁离子反应生成亚铁离子，若还有铁屑剩余则与硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，然后加入NaHCO3并搅拌，调节溶液的pH，将铝离子沉淀，所以滤渣中成分是Al(OH)3，过滤得到硫酸亚铁，向硫酸亚铁溶液中加入稀硫酸和NaNO2，酸性条件下，NaNO2和FeSO4发生氧化还原反应生成铁离子、NO，将溶液蒸发浓缩、过滤得到碱式硫酸铁，据此分析解答。

(1)根据分析可知用稀硫酸浸废铁屑后溶液中主要的金属阳离子有Fe2+、Al3+；

(2)Fe3O4与氢离子反应生成三价铁离子、亚铁离子和水，离子方程式为：Fe3O4+8H+===2Fe3++Fe2++4H2O；

(3)制备硫酸亚铁，应与硫酸铝分离，应调节溶液pH生成Al(OH)3，要避免生成应Fe(OH)2沉淀，根据氢氧化物沉淀需要的pH知，在pH在4.4-7.5之间将铝离子转化为Al(OH)3沉淀，而亚铁离子不能生成沉淀，所以控制pH在4.4～7.5之间；

(4)Ksp[Al(OH)3]=c(Al3+)·c(OH⁻)3=1.3×10-33，pH=5时，c(OH⁻)=1×10-9mol/L，所以c(Al3+)==1.3×10-6mol/L；

(5)酸性条件下，亚硝酸钠具有氧化性，能将亚铁离子氧化为铁离子，自身被还原生成NO，所以反应Ⅱ中加入NaNO2的目的是氧化Fe2+，发生反应的离子方程式为 2H++Fe2++NO2-=Fe3++NO↑+H2O；

(6)Fe(OH)2+离子可部分水解生成Fe2(OH)42+聚合离子，根据电荷守恒和质量守恒可写出反应的离子方程式为：2Fe(OH)2++2 H2O⇋ Fe2(OH)42++2H+；

(7)根据所给反应可得关系式Fe3+~S2O3⁻，所以n(Fe3+)=n(Na2S2O3)=0.1000mol/L×0.020 L=0.0020 mol，溶液中铁元素的总含量为=5.6 g/L。