Question

4．高鐵酸鹽在能源．環(huán)保等方面有著廣泛的用途．
Ⅰ．工業(yè)上制備K₂FeO₄的常用方法有兩種．
方法一：濕法．工藝流程如圖1．

（1）完成“氧化”過程中反應(yīng)的化學(xué)方程式：
2FeCl₃+10NaOH+3NaClO═2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O，其中氧化劑是NaClO（填化學(xué)式）．
（2）加入飽和KOH溶液的目的是減小高鐵酸鉀的溶解，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出；用異丙醇洗滌的目的是洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀．
方法二：干法．把Fe₂O₃．KNO₃．KOH混合加熱生成紫紅色高鐵酸鹽和KNO₂等產(chǎn)物．
（3）在干法制備K₂FeO₄的反應(yīng)中，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為3：1．
Ⅱ．高鐵酸鉀不僅是一種理想的水處理劑，而且高鐵電池的研制也在進(jìn)行中．如圖2是高鐵電池的實(shí)驗(yàn)裝置：
已知放電后，兩極得到鐵的相同價態(tài)的化合物．

（4）該電池放電時正極發(fā)生的電極反應(yīng)是FeO₄^2-+4H₂O+3e^-=Fe（OH）₃↓+5OH^-；
（5）若該電池屬于二次電池，則充電時陰極反應(yīng)的電極反應(yīng)方程式為：Fe（OH）₃+3e^-=Fe+3OH^-（或FeOOH+3e^-+H₂O=Fe+3OH^-）．
（6）已知鹽橋中含有飽和KCl溶液，放電時，鹽橋的作用是形成閉合電路．此鹽橋中陰離子的運(yùn)行方向是：左池到右池；若用某種高分子材料制成隔膜代替鹽橋，該隔膜允許通過的離子是K⁺和H⁺．
（7）如圖3為高鐵電池電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)有使用時間長．工作電壓穩(wěn)定．

Answer 1

分析 Ⅰ．方法一：濕法為次氯酸鹽氧化法，工藝流程：氯化鐵溶液中加入次氯酸鈉和氫氧化鈉，反應(yīng)為：2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O；將Na₂FeO₄粗產(chǎn)品在40%KOH溶液中溶解，過濾除去雜質(zhì)NaCl，加入飽和KOH溶液后，將Na₂FeO₄轉(zhuǎn)化為溶解度更小的K₂FeO₄，反應(yīng)方程式為Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄+2NaOH，冷卻結(jié)晶，過濾，高鐵酸鉀易溶于水，難溶于異丙醇，用異丙醇代替水洗滌產(chǎn)品可以減少高鐵酸鉀的損耗，同時洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀．
（1）反應(yīng)中NaClO是氧化劑，還原產(chǎn)物是NaCl，根據(jù)元素守恒，可知反應(yīng)式中需要補(bǔ)充NaCl和H₂O．根據(jù)化合價升降法配平方程式；
（2）加入飽和KOH溶液可以增大K⁺的濃度，使平衡向右移動；用異丙醇可以洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀；
方法二：干法．
（3）根據(jù)含元素化合價升高的物質(zhì)為還原劑，含元素化合價降低的物質(zhì)為氧化劑，并利用化學(xué)反應(yīng)方程式中的化學(xué)計量數(shù)來分析氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比；
Ⅱ．根據(jù)電池裝置，F(xiàn)e做負(fù)極放電，正極上高鐵酸鉀發(fā)生還原反應(yīng)，均生成相同價態(tài)的化合物，高鐵酸鉀的氧化性很強(qiáng)，能夠生成三價鐵．
（4）FeO₄^2-在正極得電子生成Fe³⁺；
（5）充電時Fe（OH）₃在陰極得電子生成Fe；
（6）鹽橋可起到平衡電荷，構(gòu)成閉合回路的作用；放電時鹽橋中陰離子由左池到右池；用某種高分子材料制成隔膜代替鹽橋，該隔膜只允許通過的離子有K⁺和H⁺；
（7）圖3為高鐵電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，不難看出高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)為使用時間比高能堿性電池的長，且放電電壓比高能堿性電池的穩(wěn)定．

解答 解：Ⅰ．方法一：濕法
（1）反應(yīng)中FeCl₃→Na₂FeO₄，鐵元素化合價由+3價升高為+6價，化合價總升高3價，NaClO→NaCl，氯元素化合價由+1降低為-1價，化合價總共降低2價，化合價升降最小公倍數(shù)為6，故FeCl₃系數(shù)為2，NaClO系數(shù)為3，由鐵元素守恒可知 Na₂FeO₄系數(shù)為2，由氯元素守恒可知NaCl系數(shù)為2×3+3=9，根據(jù)鈉元素守恒可知NaOH系數(shù)為9+2×2=13，由氫元素守恒可知H₂O系數(shù)為5，配平方程式為2FeCl₃+10NaOH+3NaClO=2Na₂FeO₄+9NaCl+5H₂O；
反應(yīng)中NaClO→NaCl，氯元素化合價由+1降低為-1價，NaClO是氧化劑，還原產(chǎn)物是NaCl．
故答案為：2、10、3、2、9NaCl、5H₂O；NaClO；
（2）Na₂FeO₄+2KOH?K₂FeO₄+2NaOH，加入飽和KOH溶液可以增大K⁺的濃度，使平衡向右移動，析出晶體，高鐵酸鉀易溶于水，難溶于異丙醇，用異丙醇代替水洗滌產(chǎn)品可以減少高鐵酸鉀的損耗，同時洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀，
故答案為：減小高鐵酸鉀的溶解，促進(jìn)高鐵酸鉀晶體析出；洗去高鐵酸鉀晶體表面的KOH和其他雜質(zhì)，得到純產(chǎn)品高鐵酸鉀；
方法二：干法．
（3）Fe₂O₃+3KNO₃+4KOH═2K₂FeO₄+3KNO₂+2H₂O，氮元素的化合價降低，鐵元素的化合價升高，則KNO₃為氧化劑，F(xiàn)e₂O₃為還原劑，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為3：1，
故答案為：3：1；
Ⅱ．（4）FeO₄^2-在正極得電子生成Fe³⁺，生成其電極反應(yīng)式為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-；
故答案為：FeO₄^2-+4H₂O+3e^-═Fe（OH）₃↓+5OH^-；
（5）充電時Fe（OH）₃在陰極得電子生成Fe，其電極反應(yīng)式為：Fe（OH）₃+3e^-=Fe+3OH^-（或FeOOH+3e^-+H₂O=Fe+3OH^-），
故答案為：Fe（OH）₃+3e^-=Fe+3OH^-（或FeOOH+3e^-+H₂O=Fe+3OH^-）；
（6）鹽橋中陰離子移向負(fù)極移動，鹽橋起的作用是使兩個半電池連成一個通路，使兩溶液保持電中性，起到平衡電荷，構(gòu)成閉合回路，放電時鹽橋中陰離子由左池到右池；用某種高分子材料制成隔膜代替鹽橋，該隔膜只允許通過的離子有K⁺和H⁺，
故答案為：形成閉合電路；左池到右池；K⁺和H⁺；
（7）圖3為高鐵電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出的高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)有放電時間長，工作電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，
故答案為：使用時間長；工作電壓穩(wěn)定．

點(diǎn)評 本題考查了工業(yè)上制備K₂FeO₄的常用方法，側(cè)重考查物質(zhì)制備方法的分析應(yīng)用，流程的理解應(yīng)用，掌握物質(zhì)性質(zhì)和平衡移動原理，物質(zhì)溶解度的大小比較以及化學(xué)電池工作原理是解題關(guān)鍵，題目難度中等．