20. (10分)以绿矾(FeSO₄·7H₂O)为原料制备高铁酸钾(K₂FeO₄)的流程如图所示,请回答下列问题。
(1) "氧化"是将FeSO₄转化为Fe₂(SO₄)₃,该反应的化学方程式为
2FeSO₄+H₂SO₄+H₂O₂=2H₂O+Fe₂(SO₄)₃
。
(2) 不同温度和pH下FeO₄²⁻在水溶液中的稳定性如图1、图2所示。图1、图2中纵坐标表示单位体积内FeO₄²⁻数目的多少,数值越小,表明FeO₄²⁻数目越少,在该条件下越不稳定。为了提高"合成"时Na₂FeO₄的产率,下列措施可行的是
B
(填字母)。
A. 控制反应在60℃左右进行
B. 控制反应在碱性条件下进行
(3) 滤渣呈红褐色,推测其主要成分为
Fe(OH)₃
(填化学式)。
(4) 常温下向"过滤"后的滤液中加入KOH饱和溶液,即可析出K₂FeO₄晶体,写出该反应的化学方程式:
Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄↓+2NaOH
。K₂FeO₄中铁元素的化合价为
+6
。
答案：20. (1) 2FeSO₄+H₂SO₄+H₂O₂=2H₂O+Fe₂(SO₄)₃ (2) B (3) Fe(OH)₃ (4) Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄↓+2NaOH +6
解析:(1)由流程图可知,“氧化”是将FeSO₄转化为Fe₂(SO₄)₃,反应物为硫酸亚铁、硫酸和过氧化氢,生成物为硫酸铁,根据质量守恒定律,化学反应前后原子的种类和数目都不变,则生成物中还应有水,则该反应的化学方程式为2FeSO₄+H₂SO₄+H₂O₂=2H₂O+Fe₂(SO₄)₃。(2)由题图可知,在30℃和pH=11.50时FeO₄²⁻的浓度最高,因此控制反应在30℃左右、碱性条件下进行时,Na₂FeO₄产率高,故B符合题意。(3)滤渣呈红褐色,符合氢氧化铁的外观状态,并且在含有铁离子的溶液中加入氢氧化钠,可以形成氢氧化铁沉淀,其化学式为Fe(OH)₃。(4)由物质的变化可知,反应物是Na₂FeO₄和氢氧化钾溶液,生成物是K₂FeO₄沉淀和氢氧化钠,该反应的化学方程式为Na₂FeO₄+2KOH=K₂FeO₄↓+2NaOH。
21. 新素养
科学探究与实践(8分)劳动实践课上同学们用草木灰给农作物施肥。课后同学们查阅资料,得知草木灰是一种重要的农家肥,碳酸钾含量高。
【提出问题】如何测定草木灰中碳酸钾的含量?
【查阅资料】① 常见草木灰钾含量(以碳酸钾表示)如下表所示。
② 提取碳酸钾的主要过程是秸秆→草木灰→滤液→固体。
③ 碳酸钾的溶解度随温度的升高而增大。
【设计与实验】实验一:提取碳酸钾。
第一步:燃烧向日葵秸秆,收集草木灰,称取20.00g。
第二步:用60℃水浸洗草木灰(如图1所示)并过滤,浸洗滤渣2次,合并滤液。
第三步:蒸发滤液,烘干得到9.90g固体。
(1) 图1实验中,用60℃的温水而不用冷水浸洗的原因是
碳酸钾的溶解度随温度升高而增大,相同条件下,60℃的温水比冷水溶解碳酸钾多
。
(2) 根据图2,搅拌器转速控制在每分钟
500
r,浸取时间为
20
min,比较适宜。
实验二:测定碳酸钾含量。取3.30g实验一中所得固体进行图3所示实验。装置B的作用是除去水蒸气。
(3) 装置C中发生反应的化学方程式为
2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O
。
【数据与解释】(4) 称量图3装置C中反应前后烧杯和其中溶液的总质量,增重0.88g。计算草木灰中碳酸钾的质量分数为
41.4%
,与表格中数据相比明显偏小,原因可能是
b
(填字母)。
a. 烧杯中溶液与空气接触
b. 固体含有其他钾盐
【反思与评价】(5) 若去掉装置A左侧的通氮气的装置,测定结果将
偏小
(填"偏大""偏小"或"不变")。
答案：21. (1) 碳酸钾的溶解度随温度升高而增大,相同条件下,60℃的温水比冷水溶解碳酸钾多 (2) 500 20 (3) 2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O (4) 41.4% b (5) 偏小
解析:(1)题图1实验中,用60℃的温水而不用冷水浸洗的原因是碳酸钾的溶解度随温度的升高而增大,相同条件下,60℃的温水比冷水溶解碳酸钾多。(2)根据题图2,搅拌器转速控制在每分钟500r,浸取时间为20min,比较适宜。(3)装置C中氢氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠和水,反应的化学方程式为2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O。(4)称量题图3装置C中反应前后烧杯和其中溶液的总质量,增重0.88g,说明反应生成二氧化碳的质量为0.88g。设草木灰中碳酸钾的质量为x。
K₂CO₃+H₂SO₄=K₂SO₄+H₂O+CO₂↑
138 44
x 0.88g
$\frac{138}{44}=\frac{x}{0.88g} x=2.76g$
样品中碳酸钾的质量是2.76g×3=8.28g,草木灰中碳酸钾的质量分数为$\frac{8.28g}{20.00g}×100%=41.4%,$与题表中数据相比明显偏小,可能是因为固体中含有其他钾盐,故b符合题意。(5)去掉装置A左侧的通氮气的装置,测定结果将偏小,是因为反应生成的二氧化碳不能被氢氧化钠溶液完全吸收。
