Question

15．某科研人員設(shè)計(jì)出將硫酸渣（主要成分Fe₂O₃，含有少量的SiO₂等雜質(zhì)）再利用的流程．如圖1的流程中的濾液經(jīng)過多次循環(huán)后用來后續(xù)制備氧化鐵粉末．

（1）為了加快反應(yīng)①的反應(yīng)速率，可采用的措施是將硫酸渣粉碎、適當(dāng)增大硫酸的濃度、升高溫度、攪拌等．（寫出一點(diǎn)即可）
（2）“還原”是將Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe²⁺．在溫度T₁、T₂（T₁＞T₂）
下進(jìn)行該反應(yīng)，通過檢測(cè)相同時(shí)間內(nèi)溶液的pH，繪制pH隨時(shí)間
的變化曲線如圖2所示．得出結(jié)論：該反應(yīng)的溫度不宜過高．
①通入SO₂氣體“還原”時(shí)，試解釋pH下降的原因是Fe³⁺將SO₂的水溶液（H₂SO₃）氧化為H₂SO₄．
②相同時(shí)間內(nèi)，T₁溫度下溶液的pH更高的原因是溫度過高，SO₂的溶解度下降．
（3）該流程中循環(huán)使用的物質(zhì)是H₂SO₄．
（4）為測(cè)定反應(yīng)①后溶液中Fe³⁺的濃度以控制加入SO₂的量．實(shí)驗(yàn)步驟為：準(zhǔn)確量取20.00ml的反應(yīng)后溶液，稀釋成100mL溶液，取10.00mL溶液，加入足量的KI晶體和2～3滴淀粉溶液，用0.50mol/L的Na₂S₂O₃溶液與碘反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)恰好完全進(jìn)行時(shí)，共消耗Na₂S₂O₃溶液20.00mL．有關(guān)反應(yīng)方程式如下：
2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂；   2Na₂S₂O₃+I₂=Na₂S₄O₆+2NaI
試計(jì)算原溶液中Fe³⁺的物質(zhì)的量濃度（寫出計(jì)算過程）．

Answer 1

分析 本題以主要成分Fe₂O₃，含有少量的SiO₂等雜質(zhì)的硫酸渣為原料制備氧化鐵粉末的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，主要考查的是酸溶過程即用稀硫酸溶解氧化鐵，再利用三價(jià)鐵的氧化性氧化通入溶液中的SO₂氣體，得到硫酸和二價(jià)鐵，涉及氧化還原反應(yīng)的分析及數(shù)據(jù)處理．
（1）可結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素去考慮提高反應(yīng)①的反應(yīng)速率的方法；
（2）①在含有三價(jià)鐵的溶液里通入SO₂氣體，發(fā)生的反應(yīng)為2Fe³⁺+SO₂+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+4H⁺，根據(jù)反應(yīng)原理分析溶液pH下降的原因；
②可參考溫度對(duì)對(duì)氣體溶解度的影響去考慮；
（3）流程度中箭頭的指向可看出，最后過濾后的濾液中的硫酸可重新加入?yún)⒓臃磻?yīng)①，可見是可循環(huán)利用的物質(zhì)；
（4）參照滴定原理及2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂、2Na₂S₂O₃+I₂=Na₂S₄O₆+2NaI建立Fe³⁺與Na₂S₂O₃的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算．

解答 解：（1）結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素，固體在酸溶時(shí)，可通過固體粉碎、升高溫度、攪拌、提高硫酸的濃度來提高反應(yīng)速率，
故答案為：將硫酸渣粉碎、適當(dāng)增大硫酸的濃度、升高溫度、攪拌等；
（2）①Fe³⁺將SO₂的水溶液（H₂SO₃）氧化為H₂SO₄，故溶液的pH會(huì)逐漸減少，也就是溶液的酸性增強(qiáng)，
故答案為：Fe³⁺將SO₂的水溶液（H₂SO₃）氧化為H₂SO₄；              
②溫度升高，可以加快反應(yīng)速率，但氣體的溶解度卻減小了，參加反應(yīng)的SO2的量減少，故相同時(shí)間內(nèi)，T₁溫度下溶液的pH更高，
故答案為：溫度過高，SO₂的溶解度下降；
（3）從流程圖中可看出，可循環(huán)利用的物質(zhì)是H₂SO₄，
故答案為：H₂SO₄；
（4）由反應(yīng)式可得關(guān)系：Fe³⁺～Na₂S₂O₃，n（Fe³⁺）=n（Na₂S₂O₃）=20.00×10^-3 L×0.50mol/L×10=0.1 mol，
∴c（Fe³⁺）=$\frac{0.1mol}{20.00×10{\;}^{-3}L}$=5.0mol/L，
答：原溶液鐵離子濃度為5.0mol/L．

點(diǎn)評(píng) 本題考查利用氧化還原反應(yīng)的理論分析實(shí)驗(yàn)原理，涉及影響反應(yīng)速率的因素及滴定原理的數(shù)據(jù)處理，難度中等．