【題目】鉻是一種具有戰(zhàn)略意義的金屬,它具有多種價態(tài),單質(zhì)鉻熔點為1857 ℃。

(1)工業(yè)上以鉻鐵礦[主要成分是Fe(CrO2)2]為原料冶煉鉻的流程如圖所示:

①Fe(CrO2)2中各元素化合價均為整數(shù),則鉻為_______價。

②高溫氧化時反應的化學方程式為_____________________。

③操作a由兩種均發(fā)生了化學反應的過程構(gòu)成的,其內(nèi)容分別是__________、鋁熱反應。

(2)Cr(OH)3是兩性氫氧化物,請寫出其分別與NaOH、稀硫酸反應時生成的兩種鹽的化學式_________________________________________。

(3)水中的鉻元素對水質(zhì)及環(huán)境均有嚴重的損害作用,必須進行無害化處理。

①處理含有Cr2O72-的污水方法通常為:用鐵作電極電解污水,Cr2O72-被陽極區(qū)生成的離子還原成為Cr3+,生成的Cr3+與陰極區(qū)生成的OH結(jié)合生成Cr(OH)3沉淀除去。則陰極上的電極反應式為______________,若要處理含10 mol Cr2O72-的污水,則至少需要消耗的鐵為_______g。

②轉(zhuǎn)化為重要產(chǎn)品磁性鐵鉻氧體 (CrxFeyOz):先向含CrO42-的污水中加入適量的硫酸及硫酸亞鐵,待充分反應后再通入適量空氣(氧化部分Fe2+)并加入NaOH,就可以使鉻、鐵元素全部轉(zhuǎn)化為磁性鐵鉻氧體。寫出CrO42-在酸性條件下被Fe2+還原為Cr3+ 的離子方程式:_____,若處理含1 mol CrO42-(不考慮其它含鉻微粒)的污水時恰好消耗10 mol FeSO4,則當鐵鉻氧體中n(Fe2+)∶n(Fe3+)=3∶2時,鐵鉻氧體的化學式為__________

【答案】+34Fe(CrO2)2+7O2+8Na2CO32Fe2O3+8Na2CrO4+8CO2灼燒使 Cr(OH)3分解NaCrO2Cr2(SO4)32H2O+2e=2OH+H2 ↑(或者2H++2e=H2↑)33603Fe2++ CrO42-+8H+=3Fe3++Cr3++4H2OCr2Fe20O27

【解析】

(1)①根據(jù)化合物中各元素的正負化合價代數(shù)和為0分析。

根據(jù)流程確定反應物和生成物,用化合價升降法配平書寫化學方程式。

由流程Cr(OH)3Cr和鋁熱反應逆推。

(2)模仿Al(OH)3NaOH、稀硫酸的反應確定生成物。

(3)①在陰極H+放電,根據(jù)電子守恒和原子守恒計算。

根據(jù)化合價升降法配平書寫離子方程式,根據(jù)原子守恒和電荷守恒確定化學式。

(1)①Fe(CrO22Fe、Cr的化合價分別為+x、+y,根據(jù)化合物中各元素的正負化合價代數(shù)和為0,(+x)+2×(+y)+4×(-2)=0,x、y均為整數(shù),經(jīng)討論x=2,y=3,F(xiàn)e的化合價為+2,Cr的化合價為+3。

根據(jù)流程,高溫氧化時Fe(CrO22Na2CO3、O2反應生成CO2、Fe2O3、Na2CrO4,反應可寫成Fe(CrO22+Na2CO3+O2→CO2+Fe2O3+Na2CrO4,在反應中Fe元素的化合價由+2價升至+3、Cr元素的化合價由+3價升至+6,1molFe(CrO22參與反應失去7mol電子,1molO2參與反應得到4mol電子,根據(jù)電子守恒和原子守恒配平,高溫氧化時反應的化學方程式為:4Fe(CrO22+8Na2CO3+7O28CO2+2Fe2O3+8Na2CrO4。

操作aCr(OH)3經(jīng)兩步反應生成Cr,后一步為鋁熱反應,則第一步反應為灼燒使Cr(OH)3分解,兩步反應的化學方程式為2Cr(OH)3Cr2O3+3H2O、2Al+Cr2O3Al2O3+2Cr。

(2)Cr(OH)3Al(OH)3都屬于兩性氫氧化物,模仿Al(OH)3NaOH、稀硫酸的反應,Cr(OH)3NaOH、稀硫酸反應的化學方程式分別為Cr(OH)3+NaOH=NaCrO2+2H2O、2Cr(OH)3+3H2SO4=Cr2(SO43+6H2O,Cr(OH)3NaOH、稀硫酸反應生成的鹽的化學式為NaCrO2、Cr2(SO43。

(3)①Fe作電極,陽極電極反應式為Fe-2e-=Fe2+陰極電極反應式為2H2O+2e-=H2↑+2OH-(或2H++2e-=H2↑)。在陽極區(qū)Fe2+Cr2O72-還原為Cr3+,F(xiàn)e2+自身被氧化成Fe3+,1molCr2O72-得到6mol電子生成2molCr3+,1molFe2+失去1mol電子生成1molFe3+,根據(jù)得失電子守恒,n(Fe2+)=6n(Cr2O72-)=6×10mol=60mol,根據(jù)Fe守恒,至少需要消耗Fe的物質(zhì)的量為60mol,至少需要消耗Fe的質(zhì)量為60mol×56g/mol=3360g。

酸性條件下CrO42-Fe2+還原為Cr3+,F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+,反應可寫成Fe2++CrO42-+H+→Fe3++Cr3++H2O,在反應中1molFe2+失去1mol電子,1molCrO42-得到3mol電子,根據(jù)得失電子守恒、原子守恒和電荷守恒,CrO42-在酸性條件下被Fe2+還原為Cr3+的離子方程式為3Fe2++CrO42-+8H+=3Fe3++Cr3++4H2O。根據(jù)Fe守恒,鐵鉻氧體中n(Fe2+)=10mol×=6mol,n(Fe3+)=10mol×=4mol,根據(jù)Cr守恒,鐵鉻氧體中n(Cr3+)=n(CrO42-)=1mol,根據(jù)電荷守恒,鐵鉻氧體中n(O2-)==13.5mol,鐵鉻氧體中n(Cr):n(Fe):n(O)=1mol:10mol:13.5mol=2:20:27,鐵鉻氧體的化學式為Cr2Fe20O7。

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