Question

【題目】粉煤灰是燃煤產(chǎn)生的重要污染物，主要成分有Al2O3、Fe2O3、Fe3O4和SiO2等物質(zhì)。綜合利用粉煤灰不僅能夠防止環(huán)境污染，還能獲得納米Fe2O3等重要物質(zhì)。

已知：

i)伯胺R－NH2能與Fe3＋反應(yīng)：3R－NH2＋Fe3＋＋SO42－＋H2OFe(NH2－R)3(OH)SO4＋H＋生成易溶于煤油的產(chǎn)物。

ii)Fe3＋在水溶液中能與Cl－反應(yīng)：Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，回答下列問(wèn)題：

(1)過(guò)程I對(duì)煤粉灰進(jìn)行酸浸過(guò)濾后，濾渣的主要成分是_____________。

(2)寫出過(guò)程Ⅱ加入過(guò)量H2O2發(fā)生的離子方程式_____________。加入伯胺－煤油對(duì)浸取液進(jìn)行分離，該操作的名稱是_____________。

(3)從化學(xué)平衡角度解釋過(guò)程Ⅲ利用NaCl溶液進(jìn)行反萃取的原理_____________。

(4)過(guò)程Ⅳ中過(guò)量的N2H4將水層2中[FeCl6]3－轉(zhuǎn)化為Fe2＋，得到的Fe2＋再被O2氧化為FeOOH，其中第一步的離子方程式為4[FeCl6]3－＋5N2H4＝4Fe2＋＋N2＋4N2H5＋＋24Cl－，該反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為_______________。

(5)在常壓用納米Fe2O3電化學(xué)法合成氨的裝置如圖所示。已知電解液為熔融NaOH－KOH，納米Fe2O3在陰極發(fā)生電極反應(yīng)分兩步進(jìn)行：

第一步：Fe2O3＋3H2O＋6e－＝2Fe＋6OH－；

第二步：2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3。

則該電解池發(fā)生總反應(yīng)的化學(xué)方程式為___________________________________，納米Fe2O3在電解過(guò)程中所起的作用是___________________________________。

(6)某特殊的磁流體材料，其化學(xué)式通式為KxFeO2(其組成可理解為aK2O·bFeO·cFe2O3)，若x平均值為1.3，則磁流體中Fe3＋和Fe2＋的質(zhì)量之比為___________。

Answer 1

【答案】SiO2 2Fe2＋+H2O2+2H+＝2Fe3＋+2H2O 萃取、分液 Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，Cl－結(jié)合Fe3＋，Fe3＋濃度減小，促使3R－NH2＋Fe3＋＋SO42－＋H2OFe(NH2－R)3(OH)SO4＋H＋平衡逆向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反萃取 4:1 2N2＋6H2O2NH3＋3O2 催化劑 7:3

【解析】

粉煤灰中Al2O3、Fe2O3、Fe3O4與硫酸反應(yīng)生成可溶性硫酸鋁、硫酸鐵、硫酸亞鐵，SiO2與硫酸不反應(yīng)，過(guò)濾后的濾渣成分是SiO2；濾液中的Fe2＋被過(guò)氧化氫氧化為Fe3＋，伯胺R－NH2能與Fe3＋反應(yīng)生成易溶于煤油的產(chǎn)物，分液后Fe(NH2－R)3(OH)SO4存在煤油中，有機(jī)層加入氯化鈉溶液反萃取，發(fā)生Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，[FeCl6]3－中加入過(guò)量N2H4生成Fe2＋，通入適量氧氣氧化為FeOOH，煅燒生成納米Fe2O3。

(1)過(guò)程I對(duì)煤粉灰進(jìn)行酸浸過(guò)濾后，SiO2與硫酸不反應(yīng)，過(guò)濾后的濾渣成分是SiO2。

(2)過(guò)程Ⅱ加入過(guò)量H2O2把Fe2＋被過(guò)氧化氫氧化為Fe3＋，反應(yīng)的離子方程式是2Fe2＋+ H2O2+2H+＝2Fe3＋+ 2H2O。加入伯胺－煤油對(duì)浸取液進(jìn)行分離，Fe(NH2－R)3(OH)SO4進(jìn)入煤油層，該操作的名稱是萃取、分液。

(3)加入NaCl溶液，發(fā)生反應(yīng)Fe3＋＋6Cl－[FeCl6]3－，Cl－結(jié)合Fe3＋，Fe3＋濃度減小，促使3R－NH2＋Fe3＋＋SO42－＋H2OFe(NH2－R)3(OH)SO4＋H＋平衡逆向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反萃取。

(4)4[FeCl6]3－＋5N2H4＝4Fe2＋＋N2＋4N2H5＋＋24Cl－，該反應(yīng)中Fe元素化合價(jià)由+3降低為+2，[FeCl6]3－是氧化劑，N元素化合價(jià)由-2升高為0，N2H4是還原劑，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為4:1。

(5)電解液為熔融NaOH－KOH，納米Fe2O3在陰極發(fā)生電極反應(yīng)分兩步進(jìn)行：第一步：Fe2O3＋3H2O＋6e－＝2Fe＋6OH－，第二步：2Fe＋N2＋3H2O＝Fe2O3＋2NH3。陰極反應(yīng)為N2＋6H2O＋6e－=2NH3＋6OH－；陽(yáng)極反應(yīng)是4OH－-4e－=2H2O+O2，根據(jù)電子守恒，該電解池發(fā)生總反應(yīng)的化學(xué)方程式為2N2＋6H2O2NH3＋3O2，總反應(yīng)沒(méi)有消耗納米Fe2O3，所以納米Fe2O3在電解過(guò)程中所起的作用是催化劑。

(6)化學(xué)式通式為KxFeO2，根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和等于0，設(shè)Fe3＋為y個(gè)，則Fe2＋為(1-y)個(gè)，若x平均值為1.3，1.3×1＋3y＋2(1-y)－2×2＝0，y=0.7，則磁流體中Fe3＋和Fe2＋的質(zhì)量之比為0.7：0.3=7:3。