Question

某硫酸工廠的酸性廢水中砷（As）元素含量極高，為控制砷的排放，采用化學沉降法處理含砷廢水，相關數據如下表．請回答以下問題：
表1．幾種鹽的K_sp                

難溶物	Ksp
Ca3（AsO4）2	6.8×10-19
CaSO4	9.1×10-6
FeAsO4	5.7×10-21

表2．工廠污染物排放濃度及允許排放標準

污染物	H2SO4	As
廢水濃度	29.4g/L	1.6g?L-1
排放標準	pH 6～9	0.5mg?L-1

（1）該硫酸工廠排放的廢水中硫酸的物質的量濃度c（H₂SO₄）=

 

mol?L^-1．
（2）若酸性廢水中Fe³⁺的濃度為1.0×10^-4mol?L^-1，c（AsO₄^3-）=

 

mol?L^-1．
（3）工廠排放出的酸性廢水中的三價砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先將其氧化成五價砷（H₃AsO₄弱酸），MnO₂被還原為Mn²⁺，反應的離子方程式為

 

．
（4）在處理含砷廢水時采用分段式，先向廢水中投入生石灰調節pH到2，再投入生石灰將pH調節到8左右使五價砷以Ca₃（AsO₄）₂形式沉降．
①將pH調節到2時廢水中有大量沉淀產生，沉淀主要成分的化學式為

 

；
②Ca₃（AsO₄）₂在pH調節到8左右才開始沉淀，原因為

 

．
③砷酸（H₃AsO₄）分步電離的平衡常數（25℃）為：K₁=5.6×10^-3K₂=1.7×10^-7K₃=4.0×10^-12，
第三步電離的平衡常數的表達式為K₃=

 

．Na₃AsO₄的第一步水解的離子方程式為：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，該步水解的平衡常數（25℃）為：

 

（保留兩位有效數字）．

Answer 1

分析：（1）依據圖表中的硫酸質量濃度換算物質的量計算得到；
（2）依據Ksp越小，越易先生成沉淀，然后依據溶度積常數計算得到溶液的濃度；
（3）根據反應物和生成物結合元素化合價的變化配平方程式；
（4）①硫酸鈣難溶于酸，所以酸性條件下能析出；
②H₃AsO₄是弱酸電離出來的AsO₄^3-較少，所以酸性條件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀；
③H₃AsO₄的第三步電離式為HAsO₄^2-?H⁺+AsO₄^3-，依此寫出電離的平衡常數的表達式；依據水解常數與電離常數及Kw的關系計算．

解答：解：（1）圖表中硫酸濃度為29.4g/L，換算物質的量濃度=

29.4g 98g/L

1L

=0.3mol?L^-1，故答案為：0.3；
（2）若混合溶液中Al³⁺、Fe³⁺的濃度均為1.0×10^-4mol?L^-1，依據Ksp大小可以得到，Ksp（FeAsO₄ ）小，反應過程中Fe³⁺先析出沉淀；依據Ksp（FeAsO₄ ）=c（Fe³⁺）c（AsO₄^3-）=5.7×10^-21；Fe³⁺的濃度均為1.0×10^-4mol?L^-1，則 c（AsO₄^3-）=

Ksp(FeAsO4)

c(Fe3+)

=5.7×10^-17mol/L，故答案為：5.7×10^-17；
（3）三價砷（H₃AsO₃弱酸）不易沉降，可投入MnO₂先將其氧化成五價砷（H₃AsO₄弱酸），則該反應的離子方程式為：2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O；
故答案為：2H⁺+MnO₂+H₃AsO₃=H₃AsO₄+Mn²⁺+H₂O；
（4）①硫酸鈣難溶于酸，所以酸性條件下能析出，因此pH調節到2時廢水中有大量沉淀產生，沉淀主要成分的化學式為CaSO₄，故答案為：CaSO₄；
②H₃AsO₄是弱酸電離出來的AsO₄^3-較少，所以酸性條件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，當溶液中pH調節到8左右時AsO₄^3-濃度增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀，
故答案為：H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節到8左右時AsO₄^3-濃度增大，Ca₃（AsO₄）₂開始沉淀；
③H₃AsO₄的第三步電離式為HAsO₄^2-?H⁺+AsO₄^3-，所以第三步電離的平衡常數的表達式為K₃=

c(AsO43-)?c(H+)

c(HAsO42-)

；Na₃AsO₄的第一步水解的離子方程式為：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，該步水解的平衡常數Kh=

c(HAsO42-)?c(OH-)

c(AsO43-)

=

c(HAsO42-)?c(OH-)?c(H+)

c(AsO43-)?c(H+)

=

Kw

K3

=

10-14

4.0×10-12

=2.5×10^-3；
故答案為：2.5×10^-3．

點評：本題考查了溶液中濃度的換算，沉淀溶解平衡的溶度積常數計算，水解常數和電離常數的計算，離子方程式的書寫，沉淀的形成等，考查的知識點較多，側重于對學生計算能力的考查，題目難度中等．