Question

17．硫酸鉛（PbSO₄）廣泛應用于制造鉛蓄電池、白色顏料等．利用方鉛礦精礦（PbS）直接制備硫酸鉛粉末的流程如圖1：

已知：（ⅰ）PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^2-（aq）△H＞0

Ksp			開始沉淀時pH	完全沉淀時pH
PbSO4	1.08×10-8	Fe （OH）3	2.7	3.7
PbCl2	1.6×10-5	Pb（ OH）2	6	7.04

（ⅱ）有關物質的Ksp和沉淀時的pH如下：
（1）步驟Ⅰ中生成PbCl₂的離子方程式PbS+2Fe³⁺+2Cl^-=PbCl₂↓+2Fe²⁺+S↓，加入鹽酸控制pH值小于2，原因是抑制Fe³⁺、Pb²⁺的水解，防止生成Fe（OH）₃、Pb（OH）₂沉淀．
（2）用化學平衡移動原理解釋步驟Ⅱ中使用冰水浴的原因用冰水浴使反應PbCl₂（s）+2Cl-（aq）?PbCl₄^2-（aq）逆向移動，使PbCl₄^2-不斷轉化為PbCl₂晶體而析出．若原料中FeCl₃過量，則步驟Ⅱ得到的沉淀中還含有溶液中的懸浮雜質，溶液中的懸浮雜質被共同沉淀的原因是Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃膠體，吸附溶液中懸浮雜質，被共同沉淀．
（3）寫出步驟Ⅲ中PbCl₂晶體轉化為PbSO₄沉淀的離子方程式PbCl₂（s）+SO₄^2-（aq）=PbSO₄（s）+2Cl^-（aq）．
（4）請用離子方程式解釋濾液2加入H₂O₂可循環(huán)利用的原因2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O．
（5）鉛蓄電池的電解液是硫酸，充電后兩個電極上沉積的PbSO₄分別轉化為PbO₂和Pb，充電時陰極的電極反應式為PbSO₄+2e^-=Pb+SO₄^2-．
（6）雙隔膜電解池的結構示意簡圖如圖2所示，利用鉛蓄電池電解硫酸鈉溶液可以制取硫酸和氫氧化鈉，并得到氫氣和氧氣．對該裝置及其原理判斷正確的是AD
A．A溶液為氫氧化鈉，B溶液為硫酸
B．C₁極與鉛蓄電池的PbO₂電極相接、C₂極與鉛蓄電池的Pb電極相接
C．當C₁極產生標準狀況下11.2L氣體時，鉛蓄電池的負極增重49g
D．該電解反應的總方程式可以表示為：2Na₂SO₄+6H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2H₂SO₄+4NaOH+O₂↑+2H₂↑

Answer 1

分析 利用方鉛礦精礦（PbS）直接制備硫酸鉛粉末，在方鉛礦精礦中加入鹽酸和過量氯化鐵溶液，微熱80°C生成PbCl₂溶液，加入飽和食鹽水趁熱過濾，濾液蒸發(fā)濃縮，冰水浴使平衡PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-（aq）△H＞0向著逆向移動，從而生成PbCl₂晶體而析出，濾液2加入過氧化氫后循環(huán)使用，濾渣為PbCl₂晶體，濾液加入稀硫酸生成硫酸鉛沉淀，過濾得到硫酸鉛沉淀，烘干得到硫酸鉛粉末；
（1）步驟Ⅰ中生成物為PbCl₂和S，則加入的鹽酸、氯化鐵與PbS發(fā)生氧化還原反應，S元素化合價升高，則鐵元素的化合價降低，據(jù)此寫出反應的離子方程式；根據(jù)Fe³⁺、Pb²⁺以氫氧化物形式完全沉淀時溶液的pH進行判斷；
（2）根據(jù)加入飽和食鹽水后存在化學平衡：PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-（aq）△H＞0，而在冰水浴中，溫度較低，根據(jù)溫度對化學平衡的影響判斷使用冰水浴的原因；
（3）已知：K_sp（PbSO₄）=1.08×10^-8＜K_sp（PbCl₂）=1.6×10^-5，PbCl₂晶體轉化為PbSO₄沉淀是因為PbCl₂中加入稀硫酸破壞了氯化鉛的溶解平衡，使溶解平衡正向移動生成硫酸鉛；
（4）濾液2的主要成分是FeCl₂，與過氧化氫反應又生成FeCl₃，據(jù)此寫出反應的離子方程式；根據(jù)（3）可知PbCl₂轉化為PbSO₄同時生成HCl，則濾液3為鹽酸；
（5）根據(jù)充電時鉛蓄電池工作原理為電解，根據(jù)電解原理及化合價變化寫出充電時陰極的電極反應式；
（6）陽離子透過隔膜向陰極移動，則C₁隔膜為陽離子交換膜，陰離子透過隔膜向陽極移動，C₁為陰極，與鉛蓄電池的Pb電極連接，在陰極氫離子放電生成氫氣，C₂隔膜為陰離子交換膜在陽極氫氧根離子放電生成氧氣，C₂為陽極與鉛蓄電池的PbO₂電極相接，據(jù)此分析計算．

解答 解：（1）步驟Ⅰ中生成PbCl₂和S，則加入的鹽酸、氯化鐵與PbS發(fā)生氧化還原反應，S元素化合價升高，則鐵元素的化合價降低，反應的離子方程式為：PbS+2Fe³⁺+2Cl^-=PbCl₂+2Fe²⁺+S↓，F(xiàn)e³⁺、Pb²⁺以氫氧化物形式完全沉淀時，溶液的PH值分別為3.7、7.04，所以加入鹽酸的另一個目的是為了控制PH值為2，原因是抑制Fe³⁺、Pb²⁺的水解，
故答案為：PbS+2Fe³⁺+2Cl^-=PbCl₂+2Fe²⁺+S；抑制Fe³⁺、Pb²⁺的水解，防止生成Fe（OH）₃、Pb（OH）₂沉淀；
（2）加入飽和食鹽水后存在化學平衡：PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-（aq）△H＞0，在冰水浴中，溫度較低，使平衡向著逆向移動，從而生成PbCl₂晶體而析出，溶液中的懸浮雜質被共同沉淀的原因是Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃膠體，吸附溶液中懸浮雜質，被共同沉淀，
故答案為：用冰水浴使反應PbCl₂（s）+2Cl^-（aq）?PbCl₄^-（aq）逆向移動，使PbCl₄^-不斷轉化為PbCl₂晶體而析出；Fe³⁺水解生成Fe（OH）₃膠體，吸附溶液中懸浮雜質，被共同沉淀；
（3）根據(jù)題中信息可知：K_sp（PbSO₄）=1.08×10^-8＜K_sp（PbCl₂）=1.6×10^-5，結合沉淀的轉化，PbCl₂晶體轉化為PbSO₄沉淀是因為PbCl₂中加入稀硫酸破壞了氯化鉛的溶解平衡，使溶解平衡正向移動生成硫酸鉛，反應的離子方程式為：PbCl₂（s）+SO₄^2-（aq）=PbSO₄ （s）+2Cl^-（aq），
故答案為：PbCl₂（s）+SO₄^2-（aq）=PbSO₄ （s）+2Cl^-（aq）；
（4）濾液2的主要成分是FeCl₂，與過氧化氫反應又生成FeCl₃，雙氧水作氧化劑，反應的離子方程式為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O，
故答案為：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
（5）鉛蓄電池充電時是把電能轉化為化學能，相當于電解池裝置，所以陰極發(fā)生還原反應，Pb的化合價降低成為單質Pb，所以充電時陰極的電極反應式為PbSO₄+2e^-=Pb+SO₄^2-，
故答案為：PbSO₄+2e^-=Pb+SO₄^2-；
（6）陽離子透過隔膜向陰極移動，則C₁隔膜為陽離子交換膜，陰離子透過隔膜向陽極移動，C₁為陰極，與鉛蓄電池的Pb電極連接，在陰極氫離子放電生成氫氣，C₂隔膜為陰離子交換膜在陽極氫氧根離子放電生成氧氣，C₂為陽極與鉛蓄電池的PbO₂電極相接，
A、在陽極氫氧根離子放電生成氧氣，同時生成氫離子，所以陽極生成硫酸，即B溶液為硫酸；在陰極氫離子放電生成氫氣，同時生成氫氧根離子，所以陰極生成NaOH，即A溶液為氫氧化鈉，故A正確；
B、陽離子透過隔膜向陰極移動，則C₁隔膜為陽離子交換膜，陰離子透過隔膜向陽極移動，C₁為陰極，與鉛蓄電池的Pb電極連接，在陰極氫離子放電生成氫氣，C₂隔膜為陰離子交換膜在陽極氫氧根離子放電生成氧氣，C₂為陽極與鉛蓄電池的PbO₂電極相接，所以b氣體為氧氣，a氣體為氫氣，故B錯誤；
C、C₁為陰極，產生標準狀況下11.2L氣體為氫氣，物質的量=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，2H⁺+2e^-=H₂↑，電子轉移為1mol，鉛蓄電池負極電極反應為：
Pb+SO₄^2--2e^-=PbSO₄，
1       2     1
0.5mol  1mol   0.5mol
鉛蓄電池的負極增重為0.5mol×（207+96）g/mol-0.5mol×207g/mol=48g，故C錯誤；
D、在陽極氫氧根離子放電生成氧氣，在陰極氫離子放電生成氫氣，所以該電解反應的總方程式為2Na₂SO₄+6H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2H₂SO₄+4NaOH+O₂↑+2H₂↑，故D正確；
故答案為：AD．

點評 本題通過硫酸鉛粉末的制備，考查了物質制備實驗方案的設計方法，題目難度中等，注意掌握常見物質制備實驗方案的設計方法，正確分析、理解制備流程為解答關鍵，試題充分考查了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．