课题探究 项目实践-高铁酸钾的

编者按：高铁酸钾是一种绿色高效的具有选择性的强氧化水处理剂，兼具氧化、消毒、絮凝、净水、抑藻、降解COD/BOD、氧化消除水体中氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等毒素。如何制备高铁酸钾并合理应用高铁酸钾呢？让我们一起探索，从实验室走向化工生产，从氧化还原、能量转化、反应条件控制等视角理解工业生产中的化学原理，并体会基本的化学工艺流程。01思考探究【反应设计与实验室制备】利用以下铁源，制备K2FeO4，画出价类二维图。铁源：单质、氧化物、盐等，实现这些转化需要什么条件？从铁的化合物制备需要加入氧化剂，从单质铁制备需要强有力的电解手段。[思维建模]

物质的转化要从价类两个方面建构转化关系。01实验探究【反应设计与实验室制备】实验室制备高铁酸钾并探究性质28.(16分)实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。

资料：K2FeO4为紫色固体，微溶于KOH溶液；具有强氧化性，在酸性或中性溶液中快速

产生O2，在碱性溶液中较稳定。(1)制备K2FeO4(夹持装置略)①A为氯气发生装置。A中反应方程式是_________________________________________

(锰被还原为Mn2+)。

②将除杂装置B补充完整并标明所用试剂。③C中得到紫色固体和溶液。C中Cl2发生的反应有3Cl2+2Fe(OH)3+10KOH

===2K2FeO4+6KCl+8H2O,另外还有

。01实验探究【反应设计与实验室制备】实验室制备高铁酸钾并探究性质28.(16分)实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。

资料：K2FeO4为紫色固体，微溶于KOH溶液；具有强氧化性，在酸性或中性溶液中快速

产生O2，在碱性溶液中较稳定。(1)制备K2FeO4(夹持装置略)④评价实验装置。利用装置A制取氯气，通过装置B除去挥发的HCl后，氯气在装置C直接与氢氧化铁、氢氧化钾反应产生高铁酸钾，一步制得高铁酸钾，用于制备高铁酸钾的氢氧化铁、浓盐酸、高锰酸钾、氢氧化钾等试剂在实验室中常见、易得。实验室制备过程一体化，操作简便，易于制备目标产物。装置A采用固液不加热制备氯气，避免了热源，减少操作的危险性和复杂性。反应装置末端的尾气，利用装置D中碱液进行吸收，防止污染空气，达到绿色环保目的。01实验探究【反应设计与实验室制备】实验室制备高铁酸钾并探究性质28.(16分)实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。

资料：K2FeO4为紫色固体，微溶于KOH溶液；具有强氧化性，在酸性或中性溶液中快速

产生O2，在碱性溶液中较稳定。(1)制备K2FeO4(夹持装置略)⑤为了减少因反应过快或温度过高而产生KClO3，如何优化？产生KClO3是因为反应过快，根据化学反应原理中速率的影响因素，可以采用磁子加速搅拌(防止局部浓度过大)，添加一个能充入氮气的导管(利用氮气稀释氯气)，还可以把装置置于冷水或冰水中(降低温度)等操作，减缓反应，减少副反应的发生。思维建模1.实验室制备实验往往涉及气体制取和新物质生成，

模块组成:

气体的发生→除杂→干燥→主体实验→尾气处理。2.整个实验设计需要考虑五防：

防倒吸、防爆炸、防氧化、防潮解、防水解。01实验探究【反应设计与实验室制备】实验室制备高铁酸钾并探究性质(2)探究K2FeO4的性质①取C中紫色溶液，加入稀硫酸，产生黄绿色气体，得溶液a，经检验气体中含有Cl2。为证明是否K2FeO4氧化了Cl-而产生Cl2，设计以下方案:方案Ⅰ取少量a，滴加KSCN溶液至过量，溶液呈红色。方案Ⅱ用KOH溶液充分洗涤C中所得固体，再用KOH溶液将K2FeO4溶出，得到紫色溶液b。取少量b，滴加盐酸，有Cl2产生。ⅰ.由方案Ⅰ中溶液变红可知a中含有

离子，但该离子的产生不能判断一定是K2FeO4将Cl-

氧化，还可能由

产生(用方程式表示)。

ⅱ.方案Ⅱ可证明K2FeO4氧化了Cl-。用KOH溶液洗涤的目的是

。②根据K2FeO4的制备实验得出：氧化性Cl2

(填“>”或“<”)，而方案Ⅱ实验表明，Cl2和

的氧化性强弱关系相反，原因是

。

01实验探究【反应设计与实验室制备】实验室制备高铁酸钾并探究性质

③资料表明,酸性溶液中的氧化性

，验证实验如下:将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振荡后溶液呈浅紫色，该现象能否证明氧化性。若能，请说明理由；若不能，进一步设计实验方案。理由或方案:

。

ⅱ.方案Ⅱ可证明K2FeO4氧化了Cl-，用KOH溶液洗涤的目的是使K2FeO4稳定，并把K2FeO4表面吸附的ClO-除尽，防止ClO-与Cl-在酸性条件下反应产生Cl2，避免ClO-干扰实验。01实验探究【反应设计与实验室制备】实验室制备高铁酸钾并探究性质②根据K2FeO4的制备实验得出：氧化性Cl2

>

Fe(填“>”或“<”)，而方案Ⅱ实验表明，Cl2和Fe的氧化性强弱关系相反,原因是溶液酸碱性会影响粒子氧化性的强弱。

③资料表明，酸性溶液中的氧化性Fe>Mn，验证实验如下：将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中,振荡后溶液呈浅紫色,该现象能否证明氧化性Fe>Mn,若能，请说明理由；若不能，进一步设计实验方案，理由或方案：能说明，理由：Fe在过量酸的作用下完全转化为Fe3+和O2，溶液浅紫色是Mn的颜色。不能说明，方案:向紫色溶液b中滴加过量稀硫酸，观察溶液是紫色快速褪去还是显浅紫色。资料支持高铁酸钾可以氧化很多物质,如氨氮/亚硝酸盐、硫化氢等水体中的毒素,也可以氧化分解胺、羟酮、吲哚等有机污染物。高铁酸钾是目前已知氧化剂中氧化能力最强的氧化剂。这种强氧化性使高铁酸钾表现出相应的极强杀菌/消毒能力。02【工业制备高铁酸钾】思考探究（1）湿法制备高铁酸钾根据所给试剂与化学反应方程式，改进实验室制取高铁酸钾的方法并绘制流程图。工业常用的方法为湿法、干法和电解法三种方法02【工业制备高铁酸钾】思考探究[思考]冰水浴的作用是什么？防止温度过高，高铁酸钾分解[资料卡片]

①高铁酸钾热稳定性较差；②陈化是指沉淀完全后，让初生成的沉淀与母液一起放置一段时间，这个过程称为“陈化”，其目的是去除沉淀中包藏的杂质，同时让沉淀晶体生长增大晶体粒径，并使其粒径分布比较均匀。（1）湿法制备高铁酸钾产品的提纯与保存

结合上述提纯流程，思考下列问题：（1）用稀氢氧化钾溶液的目的是什么？（2）用乙醇洗涤高铁酸钾晶体的优点是什么？（1）用稀氢氧化钾溶液是因为在酸性或者中性溶液中K2FeO4会水解，避免水解需使用碱性溶液溶解，避免带入其他阳离子杂质。（2）高铁酸钾晶体用乙醇洗涤的优点有降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，得到较干燥的产物；除去固体表面水。产品的提纯与保存[思考]

高铁酸钾为何不可与有机物共储存混运？高铁酸钾为极强的氧化剂，很容易氧化有机物而发生火灾等安全事故。包装及贮运用内衬聚乙烯塑料袋的铁桶或木桶包装,每桶净重50kg。桶盖应密封。包装上应有明显的“氧化剂”标志。属无机氧化剂。应贮存于通风、干燥的库房中。不可与有机物、酸类及还原剂共贮混运。应防日光曝晒、防潮，要远离火种和热源。失火时，可用水、沙土和灭火器扑救。02【工业制备高铁酸钾】思考探究①配平方程式：②有人发明一种新的干法制备高铁酸钾的工艺，如右图所示。其中铁粉与熔融的NaOH固体反应时生成气态的Na，写出方程式。（2）干法制备高铁酸钾高铁酸钾是常用的水处理剂，一般先制备Na2FeO4，再转化为K2FeO4。干法制备高铁酸钠（Na2FeO4）可利用Na2O2与FeSO4反应，产物还有硫酸钠、氧气和氧化钠，且反应时消耗的Na2O2与生成的O2的物质的量之比为6：1。然后在低温下，向Na2FeO4溶液中加入KOH至饱和，可使K2FeO4析出，过滤得粗品。3Fe+4NaOH===4Na↑+2H2↑+Fe3O4高温02【工业制备高铁酸钾】思考探究③抽滤时，用饱和氢氧化钾溶液的目的是什么？加入饱和氢氧化钾溶液为了提高产品的回收率，因为浓的氢氧化钾提供大量的钾离子，降低了产品在水中的溶解度。（2）干法制备高铁酸钾拓展训练(双选)高铁酸钾(K2FeO4)是环保型水处理剂，以光伏电池为电源先制备Na2FeO4，再将其转化为高铁酸钾，装置如图所示。下列说法不正确的是 (

)A.石墨为阳极，铁电极发生还原反应B.a含有H2，b为Na2FeO4溶液C.铁电极反应式为Fe-6e-

+8OH-

==Fe+4H2OD.若电路中转移1mol电子，则石墨电极区NaOH溶液质量增加23g[解析]本题融合电解池的工作原理及应用，先利用电解法制备Na2FeO4，再转化为K2FeO4，铁电极发生氧化反应生成Na2FeO4，则铁为阳极，石墨为阴极，发生还原反应，选项A说法错误。石墨电极的电极反应式为2H2O+2e-

===2OH-+H2↑，a为H2、NaOH溶液，b为Na2FeO4溶液，选项B说法正确。铁电极发生氧化反应生成Na2FeO4，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为Fe-6e-

+8OH-

===Fe+4H2O，选项C说法正确。每转移1mol电子，浓NaOH溶液中有1molNa+向左迁移，由2H2O+2e-

===2OH-+H2↑可知，生成0.5molH2，石墨电极区的溶液质量净增1mol×23g·mol-1-0.5mol×2g·mol-1=22g，选项D说法错误。答案为A、D。拓展训练设备易被腐蚀三种方法的综合评价请补全比较项目内容[方法导引]

无机化工生产过程，除了要对反应条件进行优化以外，还需要考虑成本，产率、生产技术与管理、对周边环境的影响等，一个化学试剂的工业化投产是全面综合考虑多种因素的结果。湿法制备干法制备电解法制备工业原料产率与纯度设备条件与能耗对环境影响铁源价格便宜易得需要氧化剂铁源价格高需要氧化剂铁源价格较高不需要氧化剂产率约为75%纯度约为95%产率<50%电流效率约为60%产率低设备易被腐蚀成本高、能耗大原料消耗少、能耗过大存在氯气泄露可能易发生爆炸电解液难回收利用优化化工条件03（1）铁盐种类对高铁酸盐产率及纯度的影响以湿法冶炼高铁酸盐为例，探究影响产率的诸多因素有利于挖掘反应原理，优化生产工艺。在Fe3+和NaClO的摩尔比为0.2∶1.0，20℃下反应75min时，对FeCl3、Fe2(SO4)3及Fe(NO3)3为铁盐原料制备的高铁酸盐纯度与产率进行了研究，铁盐种类对产物产率及纯度的影响见表1。表1铁盐种类的影响铁盐种类产率/%纯度/%FeCl329.982.7Fe2(SO4)335.887.8Fe(NO3)338.288.7优化化工条件03[思考]①根据上表数据，分析工业宜采用哪种铁盐？②猜测FeCl3作为铁盐影响高铁酸盐产率低的原因可能是什么？①硝酸铁的溶解度较高，与次氯酸盐反应时接触面积增加，反应速率加快，产率增加，工业宜使用硝酸铁作为铁盐。②可能是过量的氯离子能与Fe3+形成络合物，而影响其产率。表1铁盐种类的影响铁盐种类产率/%纯度/%FeCl329.982.7Fe2(SO4)335.887.8Fe(NO3)338.288.7优化化工条件03（2）反应时间对高铁酸盐产率及纯度的影响该反应为放热反应，高铁酸盐在水溶液中的分解速率非常快，反应时间太长会导致高铁酸盐的产率降低，在Fe3+和NaClO的摩尔比为0.2∶1．0、反应温度为20℃时，研究反应时间对高铁酸盐产率和纯度的影响，实验结果见图1。试分析：①曲线先上升后下降的原因？

②最佳反应时间为多少？①随反应时间的增加，高铁酸盐的产率和纯度开始快速升高，这主要是刚开始反应时温度较低，氧化时间不够，反应尚未充分进行，所以高铁酸盐的产率较低，后来随着反应放热，速率变大，产率逐渐升高，60分钟后因反应物浓度减小，速率开始变小。75分钟后，因反应时间太长，由于FeO42-自身不稳定，自身发生分解，而且分解产物为Fe3+，Fe3+会加速高铁酸盐的分解，最终导致高铁酸盐的产率开始降低。②75分钟左右。优化化工条件03（3）反应温度对高铁酸盐产率及纯度的影响在Fe3+和NaClO的摩尔比为0.2∶1．0，反应时间为75min时，研究反应温度对高铁酸盐产率和纯度的影响规律，实验结果见图2。试分析温度过低和温度过高产率不高的原因。三价铁盐和次氯酸盐发生氧化还原反应，该反应为放热反应。理论上低温有利于反应正向进行，但是反应体系温度过低，反应速率太慢，所以产率不高。而反应温度过高，产物高铁酸盐及反应物次氯酸盐自身容易分解，温度升高会加速二者的分解，且由于氧化剂浓度的降低，会导致反应速率和生成的高铁酸盐浓度降低，从而影响氧化还原反应的速率和转化率。因此，反应温度应控制在20℃左右。图2优化化工条件03（4）次氯酸钾浓度对高铁酸盐产率及纯度的影响随着次氯酸钾溶液浓度的升高，高铁酸钾的产率和纯度均呈上升趋势，但当浓度超过1.15mol/L后，高铁酸钾的产率和纯度出现下降趋势，且次氯酸钾的浓度过高时，所制备出的高铁酸钾纯度降低，而产率呈现上升趋势。这是因为次氯酸钾浓度过大时，会产生更多的KCl等杂质，导致高铁酸钾产品纯度下降，而杂质的存在也会使产品产率呈现上升的趋势。根据图示，次氯酸钾最合适的浓度为

，解释次氯酸钾大于1.25mol·L-1时高铁酸钾产率上升、纯度下降的可能原因。思维建模请根据图形数据分组讨论以下问题。高铁酸钾去除砷（+3价As→AsO43-）问题1:取200mL浓度为100mg/L的含砷模拟废水。根据图1、图2、图3分别选择最佳Fe/As质量比

;最佳反应温度

;最佳氧化时间

。

拓展训练最佳Fe/As质量比

3

,最佳反应温度25℃,最佳氧化时间15min。

在最佳Fe/As质量比和pH值条件下,温度低于30℃砷的剩余浓度较低,温度对砷的去除效果影响不大;当温度高于30℃,砷的剩余浓度有所增加,原因是FeAsO4的溶解度随温度增加而增大,故溶液中的As浓度增大,钾的去除效率下降,同时温度增加影响高铁酸钾在溶液中的稳定性,降低其氧化率进而降低了砷的去除效果。选择最佳处理温度为25℃。问题2:

根据图2试分析温度高于25℃，砷的剩余浓度突然增大的原因?高铁酸钾去除砷（+3价As→AsO43-）拓展训练最佳Fe/As质量比

3

,最佳反应温度25℃,最佳氧化时间15min。

在最佳Fe/As质量比和pH值条件下,温度低于30℃砷的剩余浓度较低,温度对砷的去除效果影响不大;当温度高于30℃,砷的剩余浓度有所增加,原因是FeAsO4的溶解度随温度增加而增大,故溶液中的As浓度增大,钾的去除效率下降,同时温度增加影响高铁酸钾在溶液中的稳定性,降低其氧化率进而降低了砷的去除效果。选择最佳处理温度为25℃。探究高铁酸钾分解净水原理04利用溶解氧传感器对高铁酸钾分解净水原理进行探究，仪器如图所示：（1）浓度大小对高铁酸钾分解反应的影响配成1000、2000、4000mg/L三种不同浓度的高铁酸钾溶液进行实验，得到溶解氧含量变化曲线（如图所示），请用化学反应原理解释原因。高铁酸钾浓度越大，分解产生的O2越多，表明浓度越大，高铁酸钾溶液分解速率越快，越容易生产Ｏ2。根据勒夏特列原理，反应物浓度大，有利于平衡正向移动，使溶液中溶解氧含量增多。K2FeO4在水溶液中分解，其离子方程式为：4Fe+10H2O===

4Fe(OH)3↓+8OH-+3O2↑称取质量为0.04ｇ高铁酸钾固体于含20ｍＬ蒸馏水的小烧杯中，同时连接溶解氧、温度、pH传感器，得到溶解氧含量、温度、pH变化情况，如图所示。试解释曲线变化原因。在反应过程中，溶液中的溶解氧含量不断增加，溶液碱性不断增强，而溶液温度却变化不大。说明在整个反应过程中分解的高铁酸钾不多，并且由于溶剂水的含量较多，比热容大，使得温度变化不明显。探究高铁酸钾分解净水原理04（2）探究高铁酸钾分解过程中温度和酸碱性变化向蒸馏水中加入少量KOH或浓硫酸，制成pH为５、７、11的水溶液，用移液枪分别量取20ｍＬ不同pH的水溶液于小烧杯中，同时连接溶解氧传感器，另称取三份质量均为0.04ｇ的高铁酸钾固体于小烧杯中，得到溶解氧含量变化曲线，如图所示，试解释之。在不同pH水溶液中高铁酸钾的稳定性不同，碱性越强，高铁酸钾溶液越稳定，碱性越弱，高铁酸钾越容易分解。这是因为高铁酸钾在水溶液中分解成氧气和OH-，在碱性条件下，生成物氢氧根浓度增大，根据勒夏特列原理，有利于平衡逆向移动，抑制高铁酸钾分解；而在弱碱性条件下，氢离子浓度相对较大，消耗生成的氢氧根使其浓度减小，有利于平衡正向移动，促进高铁酸钾分解。因此，高铁酸钾更适用于酸性或中性条件下的污水处理。探究高铁酸钾分解净水原理04（3）溶液酸碱性对高铁酸钾分解反应的影响控制变量法