Question

3．工業(yè)含鉻廢水的處理原理是將Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化為Cr³⁺，再將Cr³⁺轉(zhuǎn)化為Cr（OH）₃沉淀，利用硫酸工業(yè)廢氣中的SO₂處理含鉻廢水，既充分利用資源、以廢治廢，還能節(jié)約生產(chǎn)成本．
（1）工業(yè)上處理100LCr₂O₇^2-含量為108mg•L^-1的含鉻廢水，至少需要3.36L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）SO₂．
（2）已知：K_sp[Cr（OH）₃]=1×10^-30．室溫下，除去被SO₂還原所得溶液中的Cr³⁺（使其濃度小于1×10^-4mol•L^-1），需調(diào)節(jié)溶液pH＞6．
（3）三價(jià)鉻Cr（Ⅲ）與雙氧水反應(yīng)可用于合成鉻黃（PbCrO₄）．控制其他條件不變，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，考察反應(yīng)溫度對(duì)Cr（Ⅲ）轉(zhuǎn)化率的影響（如圖所示）．溫度超過70℃時(shí)，Cr（Ⅲ）轉(zhuǎn)化率下降的原因是較高溫度下雙氧水分解．
（4）光照下，草酸（H₂C₂O₄）也能將Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化為Cr³⁺．化學(xué)式為Al₂Fe（SO₄）₄的某發(fā)鹽（毛發(fā)狀，在空氣中能被氧化）對(duì)該反應(yīng)具有催化作用．為確定一瓶久置發(fā)鹽的化學(xué)成分，學(xué)習(xí)小組進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：取一定質(zhì)量的發(fā)鹽樣品溶于足量的稀硫酸中，將溶液分為兩等份．其中一份與酸性KMnO₄溶液充分反應(yīng)（反應(yīng)后，MnO₄^-被還原為Mn²⁺），消耗濃度為0.4000mol•L^-1的KMnO₄溶液20.00mL；往另一份溶液中加入足量稀氨水，在空氣中微熱并攪拌使之充分反應(yīng)，待沉淀不再變化后過濾，將沉淀洗滌并充分灼燒后稱量，得9.100g干燥固體粉末．
通過計(jì)算與合理猜想，推測(cè)該久置發(fā)鹽的可能化學(xué)組成（請(qǐng)給出計(jì)算過程與推測(cè)理由）

Answer 1

分析 （1）100LCr₂O₇^2-含量為108mg•L^-1的含鉻廢水中含Cr₂O₇^2-物質(zhì)的質(zhì)量=100L×108mg•L^-1的=108mg=0.108g，物質(zhì)的量n（Cr₂O₇^2-）=$\frac{0.108g}{216g/mol}$=0.0005mol，結(jié)合二氧化硫和Cr₂O₇^2-反應(yīng)的定量關(guān)系計(jì)算，Cr₂O₇^2-～2Cr³⁺～6e^-，SO₂～SO₄^2-～2e^-，Cr₂O₇^2-～3SO₂～6e^-；
（2）依據(jù)溶度積常數(shù)計(jì)算K_sp[Cr（OH）₃]=1×10^-30．室溫下，除去被SO₂還原所得溶液中的Cr³⁺（使其濃度小于1×10^-4mol•L^-1），K_sp[Cr（OH）₃]=c（Cr³⁺）c³（OH^-）=1×10^-30，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{1×1{0}^{-30}}{1×1{0}^{-4}}}$=10^-8.67mol/L；
（3）三價(jià)鉻Cr（Ⅲ）與雙氧水反應(yīng)可用于合成鉻黃（PbCrO₄），發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率，溫度升高過氧化氫分解平衡逆向進(jìn)行；
（4）n（KMnO₄）=0.4000mol/L×20ml×10^-3L/ml=8.000×10^-3mol，
n（Fe²⁺）=5×8.000×10^-3mol=0.04000mol，依據(jù)發(fā)鹽的化學(xué)式可知在久置的發(fā)鹽中n（Al³⁺）2×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]，加入氨水后市場(chǎng)的干燥固體粉末中，
n（Al₂O₃）=0.04000mol+n（Fe³⁺）
n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{2}$[0.04000mol+n（Fe³⁺）]
102g/mol×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]+160g/mol×$\frac{1}{2}$×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]=9.10g
n（Fe³⁺）=001000mol
n（Al³⁺）=2×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]=0.1000mol
n（SO₄^2-）=2n（Al³⁺）=0.2000mol
久置的發(fā)鹽中的陽離子所帶電荷總數(shù)：3n（Al³⁺）+2n（Fe²⁺）+3n（Fe³⁺）=0.4100mol
而已知的陰離子所帶電荷總數(shù)2n（SO₄^2-）=0.4000mol＜0.4100mol，由于發(fā)鹽在空氣中被氧化，故其中還可能存在0.01000molOH^-或0.00500molCO₃^2-，據(jù)此書寫化學(xué)式．

解答 解：（1）100LCr₂O₇^2-含量為108mg•L^-1的含鉻廢水中含Cr₂O₇^2-物質(zhì)的質(zhì)量=100L×108mg•L^-1的=10800mg=10.8g，物質(zhì)的量n（Cr₂O₇^2-）=$\frac{10.8g}{216g/mol}$=0.05mol，結(jié)合二氧化硫和Cr₂O₇^2-反應(yīng)的定量關(guān)系計(jì)算，Cr₂O₇^2-～2Cr³⁺～6e^-，SO₂～SO₄^2-～2e^-，
Cr₂O₇^2-～3SO₂～6e^-；
1        3
0.05mol  n
n=0.15mol，
標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積=22.4L/mol×0.15mol=3.36L，
故答案為：3.36；
（2）K_sp[Cr（OH）₃]=1×10^-30．室溫下，除去被SO₂還原所得溶液中的Cr³⁺（使其濃度小于1×10^-4mol•L^-1），K_sp[Cr（OH）₃]=c（Cr³⁺）c³（OH^-）=1×10^-30，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{1×1{0}^{-30}}{1×1{0}^{-4}}}$=10^-8.67mol/L，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8.67}}$=10^-5.33mol/L，PH=5.33，Cr³⁺使其濃度小于1×10^-4mol•L^-1，需調(diào)節(jié)溶液pH＞6，
故答案為：＞6；
（3）三價(jià)鉻Cr（Ⅲ）與雙氧水反應(yīng)可用于合成鉻黃（PbCrO₄），發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)，圖象分析可知反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)達(dá)到最大轉(zhuǎn)化率，溫度升高超過70℃時(shí)過氧化氫分解，使平衡逆向進(jìn)行，Cr（Ⅲ）轉(zhuǎn)化率下降，
故答案為：較高溫度下雙氧水分解；
（4）n（KMnO₄）=0.4000mol/L×20ml×10^-3L/ml=8.000×10^-3mol，
n（Fe²⁺）=5×8.000×10^-3mol=0.04000mol，依據(jù)發(fā)鹽的化學(xué)式可知在久置的發(fā)鹽中n（Al³⁺）2×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]，加入氨水后市場(chǎng)的干燥固體粉末中，
n（Al₂O₃）=0.04000mol+n（Fe³⁺）
n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{2}$[0.04000mol+n（Fe³⁺）]
102g/mol×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]+160g/mol×$\frac{1}{2}$×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]=9.10g
n（Fe³⁺）=001000mol
n（Al³⁺）=2×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]=0.1000mol
n（SO₄^2-）=2n（Al³⁺）=0.2000mol
久置的發(fā)鹽中的陽離子所帶電荷總數(shù)：3n（Al³⁺）+2n（Fe²⁺）+3n（Fe³⁺）=0.4100mol
而已知的陰離子所帶電荷總數(shù)2n（SO₄^2-）=0.4000mol＜0.4100mol，由于發(fā)鹽在空氣中被氧化，故其中還可能存在0.01000molOH^-或0.00500molCO₃^2-，
該發(fā)鹽的可能組成為n（Al³⁺）：[n（Fe²⁺）+n（Fe³⁺）]：n（OH^-）：n（SO₄^2-）=0.1：0.05：0.01：0.2=10：5：1：20，化學(xué)式為：Al₁₀Fe₅（OH）（SO₄）₂₀，
n（Al³⁺）：[n（Fe²⁺）+n（Fe³⁺）]：n（CO₃^2-）：n（SO₄^2-）=0.1：0.05：0.005：0.2=20：10：1：40，化學(xué)式為Al₂₀Fe₁₀（CO₃）（SO₄）₄₀，
答：n（KMnO₄）=0.4000mol/L×20ml×10^-3L/ml=8.000×10^-3mol，
n（Fe²⁺）=5×8.000×10^-3mol=0.04000mol，依據(jù)發(fā)鹽的化學(xué)式可知在久置的發(fā)鹽中n（Al³⁺）2×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]，加入氨水后市場(chǎng)的干燥固體粉末中，
n（Al₂O₃）=0.04000mol+n（Fe³⁺）
n（Fe₂O₃）=$\frac{1}{2}$[0.04000mol+n（Fe³⁺）]
102g/mol×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]+160g/mol×$\frac{1}{2}$×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]=9.10g
n（Fe³⁺）=001000mol
n（Al³⁺）=2×[0.04000mol+n（Fe³⁺）]=0.1000mol
n（SO₄^2-）=2n（Al³⁺）=0.2000mol
久置的發(fā)鹽中的陽離子所帶電荷總數(shù)：3n（Al³⁺）+2n（Fe²⁺）+3n（Fe³⁺）=0.4100mol
而已知的陰離子所帶電荷總數(shù)2n（SO₄^2-）=0.4000mol＜0.4100mol，由于發(fā)鹽在空氣中被氧化，故其中還可能存在0.01000molOH^-或0.00500molCO₃^2-，
該發(fā)鹽的可能組成為n（Al³⁺）：[n（Fe²⁺）+n（Fe³⁺）]：n（OH^-）：n（SO₄^2-）=0.1：0.05：0.01：0.2=10：5：1：20，化學(xué)式為：Al₁₀Fe₅（OH）（SO₄）₂₀，
n（Al³⁺）：[n（Fe²⁺）+n（Fe³⁺）]：n（CO₃^2-）：n（SO₄^2-）=0.1：0.05：0.005：0.2=20：10：1：40，化學(xué)式為Al₂₀Fe₁₀（CO₃）（SO₄）₄₀，
該久置發(fā)鹽的可能化學(xué)組成為Al₁₀Fe₅（OH）（SO₄）₂₀或Al₂₀Fe₁₀（CO₃）（SO₄）₄₀．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)組成的實(shí)驗(yàn)探究、溶度積常數(shù)計(jì)算、化學(xué)式計(jì)算應(yīng)用、氧化還原反應(yīng)定量計(jì)算的分析判斷，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度較大．