Question

12．以廢舊鉛酸電池中的含鉛廢料（Pb、PbO、PbO₂、PbSO₄及炭黑等）為原料，制備粗鉛，實(shí)現(xiàn)鉛的再生利用．其工作流程如1所示：

已知：K_sp（PbSO₄）=1.6×10^-5，K_sp（PbCO₃）=3.3×10^-14．
（1）過程I中，在Fe²⁺催化下，Pb和PbO₂反應(yīng)生成PbSO₄的化學(xué)方程式是Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2PbSO₄+2H₂O．
（2）過程I中，F(xiàn)e²⁺催化過程可表示為：
i．2Fe²⁺+PbO₂+4H⁺+SO₄^2-═2Fe³⁺+PbSO₄+2H₂O
ii．…．
①寫出ii的離子方程式：2Fe³⁺+Pb+SO₄^2-=PbSO₄+2Fe²⁺；
②下列實(shí)驗(yàn)方案可證實(shí)上述催化過程．將實(shí)驗(yàn)方案補(bǔ)充完整．

編號	實(shí)驗(yàn)操作	現(xiàn)象
步驟1	向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液	溶液幾乎無色
步驟2	取步驟1中反應(yīng)液少量，加入少量PbO2，充分反應(yīng)	溶液變紅
步驟3	取步驟2中反應(yīng)液少量，加入足量Pb，充分反應(yīng)	紅色褪去

（3）過程Ⅱ的目的是脫硫．若濾液2中c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=0.1mol•L^-1，則PbCO₃中否（填“是”或“否”）混有PbSO₄．
（4）鈉離子交換膜固相電解法是從含鉛廢料中提取鉛的一種新工藝，其裝置如圖2所示．將含鉛廢料投入陰極室，含鉛廢料中的PbSO₄與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)：PbSO₄+3OH^-═HPbO₂^-+SO₄^2-+H₂O．
①b與外接電源的負(fù)極相連；
②電解過程中，PbO₂、PbO、HPbO₂^-在陰極放電，其中PbO₂放電的電極反應(yīng)式為PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
③與傳統(tǒng)無膜固相電解法相比，使用鈉離子交換膜可以提高Pb元素的利用率，原因是阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化．

Answer 1

分析 以廢舊鉛酸電池中的含鉛廢料（Pb、PbO、PbO₂、PbSO₄及炭黑等）為原料，制備粗鉛，含鉛廢料加入硫酸亞鐵、稀硫酸加熱反應(yīng)過濾得到PbSO₄粗品，加入碳酸鈉溶液過濾得到PbCO₃粗品，向其中加入焦炭在850℃生成鉛，
（1）根據(jù)題給化學(xué)工藝流程知，過程Ⅰ中，在Fe²⁺催化下，Pb、PbO₂和H₂SO₄反應(yīng)生成PbSO₄和水；
（2）①催化劑通過參加反應(yīng)，改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)反應(yīng)前后保持不變．根據(jù)題給信息知反應(yīng)i中Fe²⁺被PbO₂氧化為Fe³⁺，則反應(yīng)ii中Fe³⁺被Pb還原為Fe²⁺，據(jù)此書寫離子方程式；
②KSCN溶液與鐵離子顯紅色：向酸化的亞鐵離子中加入PbO₂證明發(fā)生反應(yīng)i，則再加入Pb證明發(fā)生反應(yīng)ii，實(shí)驗(yàn)方案為取紅色溶液少量，加入過量Pb，充分反應(yīng)后，紅色褪去；
（3）因?yàn)镵sp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14，c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=0.1mol•L^-1，PbCO₃中：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（PbC{O}_{3}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=3.3×10^-13，；PbSO₄中：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=3.3×10^-13×1.6=5.28×10^-13＜Ksp（PbSO₄），說明PbSO₄在母液中未飽和，即PbCO₃中不混有PbSO₄；
（4）①根據(jù)鈉離子向陰極移動知，a為陰極，與電源負(fù)極相連；
②電解過程中，PbO₂在陰極得電子，電極反應(yīng)式為PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
③鈉離子交換膜只允許鈉離子通過，阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化，從而提高Pb元素的利用率．

解答 解：（1）根據(jù)題給化學(xué)工藝流程知，過程Ⅰ中，在催化下，Pb、PbO₂和H₂SO₄反應(yīng)生成PbSO₄和水，化學(xué)方程式為：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2PbSO₄+2H₂O；
故答案為：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;Fe_{2}+\;}}{\;}$2PbSO₄+2H₂O；
（2）①催化劑通過參加反應(yīng)，改變反應(yīng)歷程，降低反應(yīng)的活化能，加快化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)反應(yīng)前后保持不變．根據(jù)題給信息知反應(yīng)i中Fe²⁺被PbO₂氧化為Fe³⁺，則反應(yīng)ii中Fe³⁺被Pb還原為Fe²⁺，離子方程式為：2Fe³⁺+Pb+SO₄^2-═PbSO₄+2Fe²⁺；
故答案為：2Fe³⁺+Pb+SO₄^2-=PbSO₄+2Fe²⁺；
②步驟1：向酸化的FeSO₄溶液中加入KSCN溶液，溶液幾乎無色，
步驟2：取步驟1中反應(yīng)液少量，再加入少量PbO₂，溶液變紅，亞鐵離子被氧化為鐵離子，
步驟3：取步驟2中紅色溶液少量，溶液中存在平衡，F(xiàn)e³⁺+3SCN^-=Fe（SCN）₃，加入過量Pb，和平衡狀態(tài)下鐵離子反應(yīng)生成亞鐵離子，平衡逆向進(jìn)行充分反應(yīng)后，紅色褪去；
故答案為：

編號	實(shí)驗(yàn)操作	現(xiàn)象
步驟2	取步驟1中反應(yīng)液少量，加入少量PbO2，充分反應(yīng)	溶液變紅
步驟3	取步驟2中反應(yīng)液少量，加入足量Pb，充分反應(yīng)	紅色褪去

（3）因?yàn)镵sp（PbSO₄）=1.6×10^-5，Ksp （PbCO₃）=3.3×10^-14，c（SO₄^2-）=1.6mol•L^-1，c（CO₃^2-）=0.1mol•L^-1，PbCO₃中：c（Pb²⁺）=$\frac{Ksp（PbC{O}_{3}）}{c（C{{O}_{3}}^{2-}）}$=$\frac{3.3×1{0}^{-14}}{0.1}$=3.3×10^-13；PbSO₄中：Q=c（Pb²⁺）×c（SO₄^2-）=3.3×10^-13×1.6=5.28×10^-13＜Ksp（PbSO₄），說明PbSO₄在母液中未飽和，即PbCO₃中不混有PbSO₄；
故答案為：否；
（4）①根據(jù)鈉離子向陰極移動知，a為陰極，與電源負(fù)極相連；
故答案為：負(fù)；
②電解過程中，PbO₂在陰極得電子，電極反應(yīng)式為PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
故答案為：PbO₂+4e^-+2H₂O=Pb+4OH^-；
③鈉離子交換膜只允許鈉離子通過，阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化，從而提高Pb元素的利用率；
故答案為：阻止HPbO₂^-進(jìn)入陽極室被氧化．

點(diǎn)評 本題考查未知反應(yīng)書寫、溶度積、電化學(xué)及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)問題，是高考常見題型，向考生展示運(yùn)用化學(xué)知識解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問題，題目難度較大．