加载中…金属离子中混有Fe3+离子的除杂问题探究——化学问题谈天之九
(2016-10-21 09:56:13)
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高考复习教学教研教育物质提纯 |
分类： 一题一议 |
金属离子中混有Fe3+离子的除杂问题探究
化工流程中提纯各种金属离子(混有杂质Fe3+)的除杂过程，常常加入相应价态的金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐、碱式碳酸盐等为除杂试剂，可以使得Fe3+离子转化为Fe(OH)3沉淀而除去。其中涉及什么样的反应原理？为什么？
案例1．现有含FeCl2杂质的氯化铜晶体(CuCl2·2H2O)，将其制成溶液I，然后按图示步骤进行提纯：
请回答下列问题：
(1)本实验最适合的氧化剂X是________。
(2)物质Y可能是________
(3)本实验用加碱沉淀法能不能达到目的？_____，原因是_____________。
(4)除去Fe3+的有关离子方程式是______________。
解答：(1)最适合的氧化剂X为绿色氧化剂：H2O2。
(2)物质Y可能是CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2(OH)2CO3等。
(3)不能，因为加NaOH等碱溶液也会将Cu2+离子转化为Cu(OH)2。
(4)Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+
2H++CuO== Cu2++H2O
或2H++Cu(OH)2==Cu2++2H2O
或2H++CuCO3== Cu2++CO2↑+H2O
或4H++Cu2(OH)2CO3==2Cu2++CO2↑+3H2O
(4)问用总反应式表示：3CuO+2Fe3++3H2O==2Fe(OH)3+3Cu2+
或3Cu(OH)2+2Fe3+==2Fe(OH)3+3Cu2+
或3CuCO3+2Fe3++3H2O==2Fe(OH)3+3CO2↑+3Cu2+
或3Cu2(OH)2CO3+4Fe3++3H2O==4Fe(OH)3+3CO2↑+6Cu2+
本质原因：(4)问可借助于水解平衡理解所涉及的反应过程。由于Fe3+离子水解呈酸性，可向溶液中加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2(OH)2CO3等试剂与H+反应导致H+减少，水解平衡右移，溶液pH增大，调节溶液pH的目的是促进Fe3+水解转变为Fe(OH)3沉淀而分离除去。
案例2．为了除去氯化镁晶体中的杂质Fe3+，先将其溶于水，加入足量的氢氧化镁，充分反应，过滤结晶。写出除去Fe3+所发生的总反应的离子方程式。
解答：3Mg(OH)2(s)+2Fe3+(aq)==2Fe(OH)3(s)+3Mg2+(aq)
本质原因：可借助于沉淀溶解平衡理解反应结果。由于Fe(OH)3的溶度积(4.0×10-38)远小于Mg(OH)2的溶度积(5.6×10-12)，实际上是沉淀溶解平衡的移动，即Mg(OH)2溶解产生的OH－与Fe3+结合生成更难溶的Fe(OH)3沉淀，实现了沉淀转化从而除去杂质Fe3+。
案例3．用软锰矿(主要成分MnO2)浊液吸收空气中的SO2，得到的硫酸锰溶液中含有Fe3+、Cu2+杂质，常温下向溶液中加入MnCO3调节pH=4，过滤；在加入MnS，过滤，得到硫酸锰溶液。为什么加入MnCO3调节溶液pH=4时，Fe3+已除尽？为什么用Mn(OH)2、Mn2(OH)2CO3等都可以替代MnCO3？为什么加入MnS可除尽Cu2+？请用离子方程式表示并通过溶度积计算说明原因。已知常温下，Fe(OH)3、Cu(OH)2、CuS、MnS、MnCO3的溶度积分别为：4.0×10-38、2.2×10-20、1.3×10-36、4.6×10-14、2.2×10-11。
解答：3MnCO3+2Fe3++3H2O==2Fe(OH)3+3CO2↑+3Mn2+
3Mn(OH)2+2Fe3+==2Fe(OH)3+3Mn2+
3Mn2(OH)2CO3+4Fe3++3H2O==4Fe(OH)3+3CO2↑+6Mn2+
MnS+Cu2+==CuS+Mn2+
定量说明：向溶液中加入MnCO3 或Mn(OH)2或Mn2(OH)2CO3调节pH=4，说明溶液中c(OH－)=1.0×10-10mol·L-1，Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38=c(Fe3+)×c3(OH－)，求得c(Fe3+)=4.0×10-8mol·L-1，即此时沉淀后溶液中c(Fe3+)﹤1.0×10-5mol·L-1，可认为溶液中的Fe3+离子已完全沉淀或已有效除去。
Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20=c(Cu2+)×c2(OH－)，c(Cu2+)= 2.2mol·L-1，Cu2+离子浓度远大于1.0×10-5mol·L-1，说明此时溶液中的Cu2+离子未除去。
将反应MnS+Cu2+==CuS+Mn2+设置为沉淀溶解平衡，则有平衡常数表达式K=c(Mn2+)÷c(Cu2+)=[c(Mn2+)×c(S2－)]÷[c(Cu2+)×c(S2－)]=Ksp(MnS)÷Ksp(CuS)=
(4.6×10-14)÷(1.3×10-36)=3.5×1022，该反应的平衡常数K远大于105，可认为反应进行完全，说明溶液中的Cu2+离子已有效除去。
类比：除去Zn2+中混有的Fe3+、除去Ni2+中混有的Fe3+，应选择何种试剂？就自然会理解。
感悟：在金属离子中混有Fe3+离子的提纯过程中，一般加入相应的金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐、碱式碳酸盐等为除杂试剂，主要目的是调控溶液pH，促进Fe3+水解转变为Fe(OH)3沉淀分离除去。而加入NaOH、NH3·H2O、Na2CO3等为试剂则不妥，不仅会引入新杂质，而且被提纯的金属离子也可能产生沉淀，达不到提纯除杂的目的。
2016/10/15
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