新型水處理劑——高鐵酸鹽

文章編號：1005－6629(2007)08－0076－03中圖分類號：G632.479 文獻標識碼：B

1702年，德國化學和物理學家Georg Stahl最先發現并報道了高鐵酸鹽，隨后對高鐵酸鹽的研究一直沒有中斷過。1897年在實驗室中合成出高鐵酸鉀。20世紀70年代以后，高鐵酸鹽被開發成一種非氯的新型高效飲水消毒劑和水處理劑， 國內外均作過較多的報道。

用作水處理劑時，高鐵酸鹽有以下特點：

①高鐵酸鹽（鈉、鉀）是六價鐵鹽，具有很強的氧化性，溶于水中能釋放大量的原子氧，從而非常有效地殺滅水中的細菌和病毒，具有殺菌力高、快速的特點。試驗結果證明， 若水源中細菌含量未超過20萬一30萬個／mL時， 用濃度6mg／L的高鐵酸鉀處理30min，即可基本上將細菌殺死， 水中殘存的細菌含量小于100個／mL， 達到飲用水質的標準。

②高鐵酸鹽自身被還原成新生態的Fe(OH)3，這是一種品質優良的無機絮凝劑，能高效地除去水中的微細懸浮物。實驗證明，由于其強烈的氧化和絮凝共同作用，高鐵酸鹽的消毒和除污效果，全面優于含氯消毒劑和高錳酸鹽。

③高鐵酸鹽除了具有優異的氧化漂白、高效絮凝、優良的殺菌作用以外，它還可迅速有效地去除廢水中的有機污染物、重金屬離子以及使廢水脫色、脫臭，還可以控制冷凝循環水中生物粘垢的形成。高鐵酸鹽除臭主要是氧化掉諸如硫化氫(H2S)、 甲硫醇(CH3SH)、 甲基硫[(CH3)3S]、 氨氣(NH3)等惡臭物質，將其轉化為安全無味的物質。由于高鐵酸鹽在整個pH值范圍都具有極強的氧化性，因而用于淤泥除臭處理是較為理想的方法。

④高鐵酸鹽在整個水的消毒和凈化過程中，不會產生三氯甲烷等任何對人體有害的物質，不會引入有害生物體的二次污染。

⑤高鐵酸鹽適用的pH范圍比含氯藥劑寬，處理后的水無嗅無味，口感好，而且成本也低于其它凈水劑。

因此，高鐵酸鹽是當今理想的多功能水處理劑，被科學家們公認為綠色消毒劑。 作為一種新型水處理劑，相信在不久的將來高鐵酸鹽一定會取代含氯藥劑的地位。

除此以外，高鐵酸鉀在其它領域也有重要用途：是制造高性能、壽命長的環保型電池的重要原料，并具有制造成本低、廢棄時對環境友好，以及再充電可達75%電量等優點。

高鐵酸鹽自發現以來一直有人從事其實驗室的制備及工業化生產研究，但迄今仍沒有形成人們所認可的成熟工藝。這主要是因為高鐵酸鹽的制備方法比較復雜，操作條件相對較苛刻，工業生產成本很高，尤其是產品回收率偏低，穩定性差，失去了價格競爭優勢，這也就極大地限制了它的生產和應用，故而現今市場上基本沒有這種產品。

近年來，圍繞高鐵酸鹽的命題越來越多，主要表現在以下三個方面：

1 圍繞高鐵酸鹽的制備命題

例１、近年來研究表明，高鐵酸鹽在能源、環境保護等方面有著十分廣泛的用途。我國學者提出在濃NaOH溶液中用電化學方法來制備高鐵酸鹽[FeO ]，電解裝置如圖所示，陽極發生的電極反應為__________________，陰極發生的電極反應為____________________，總電解反應離子方程式為______________；電解一段時間后，收集到的某種氣體為3.36L（已換算成標準狀態），那么獲得的高鐵酸鈉的物質的量為___________，陽極區周圍溶液的pH________（升高、降低或不變）。

[解析]：由圖知，鐵是活潑陽極，失去電子被氧化，根據題中信息判斷，在濃NaOH溶液中陽極的氧化產物應為FeO ，鐵元素由0價升高到＋6價失去6e-，電極反應式右邊帶2個單位負電荷，左邊應補充8OH-，同時生成4H2O：Fe+8OH--6e-=Fe +4H2O；陽極消耗了OH-，所以陽極周圍溶液的pH降低。陰極是水電離出的H+得到電子被還原，生成H2同時留下OH-。

答案：Fe+8OH--6e-=FeO +4H2O；6H2O+6e-=3H2↑+6OH-；Fe+2H2O+2OH-=3H2↑+FeO ；0.05mol；降低

例2、高鐵（VI）酸鹽是新一代水處理劑，其制備方法有次氯酸鹽氧化法（濕法）：該法是在堿性溶液中，利用次氯酸鹽氧化三價鐵鹽，試寫出并配平這一離子反應方程式____________________。

[解析]：根據題給信息可知反應物有：Fe3+、OH-、ClO-，生成物有FeO ，再根據氧化還原反應原理可推出ClO-的還原產物為Cl-，從而可寫出離子方程式為：2Fe3++3ClO-+10OH-=2FeO +3Cl-+5H2O。

例3、A通常存在于鋼鐵中，它是由甲、乙兩種化合物組成的混合物，甲和乙的含量、結構、分布對鋼性能影響很大，使鋼硬而脆，不宜進行機械加工。

已知：（1）甲和乙的組成元素相同，均由兩種常見元素的原子以最簡整數比構成的化合物，其相對分子質量分別為124、180。（2）C、D、H、I、J常溫下為氣體，H、I、J為單質，D是一種紅棕色氣體。（3）反應②為制備理想的綠色水處理劑Na2FeO4（高鐵酸鈉）的一種方法。（圖中部分生成物沒有列出。）

請填寫以下空白：

⑴寫出C的電子式_______________。

⑵寫出反應①的化學方程式_______________。

反應②的離子方程式_______________。

⑶甲和乙的化學式分別為________、______，若A中組成元素的物質的量之比為4∶9，則乙在A中的物質的量分數為___________。

[解析]：本題將高鐵酸鈉的制備融于無機推斷題中，使學生在不知不覺中了解了制備高鐵酸鈉的一種方法。由題意知，A通常存在于鋼鐵中，則為碳和鐵兩種元素組成的混合物，根據甲、乙的相對分子質量為124、180，可推出甲、乙分別為Fe2C、Fe3C。根據C為氣體且能與Na2O2反應，可知C為CO2，從而可知氣體H為O2，G為Na2CO3。D是一種紅棕色氣體，則D是NO2，進而可以確定B是HNO3，則E是水，F是Fe(NO3)3。根據E（H2O）+LI（單質氣體）+J（單質氣體）+K以及最后生成Na2FeO4，可確定L是NaCl，則K是NaOH， J是Cl2， I是H2。由J（Cl2）+K（NaOH）→L（NaCl）+M可知M為NaClO。根據K（NaOH）+F[Fe(NO3)3]→N， 可以確定N是Fe(OH)3。Fe(OH)3在OH-存在下被ClO-氧化得FeO 。

答案：⑴

2 圍繞高鐵酸鹽的凈水、消毒命題

例4、有人研究證明：使用氯氣作自來水消毒劑，氯氣會與水中有機物反應，生成如CHCl3等物質，這些物質可能是潛在的致癌致畸物質。目前人們已研發多種飲用水的新型消毒劑。下列物質不能作自來水消毒劑的是 （）

A.明礬B.二氧化氯

C.臭氧D.高鐵酸鈉( Na2FeO4)

[解析]：自來水消毒的原理是利用強氧化性將細菌和病毒殺死，因此能作自來水消毒劑的物質必須具有強氧化性，明礬只具有凈水作用，故答案為A。

例5、高鐵酸鉀 (K2FeO4)是

一種新型、高效、多功能水處理劑，是比Cl2、O3、ClO2、KMnO4氧化性更強、無二次污染的綠色處理劑。工業上是先制得高鐵酸鈉溶液，然后在低溫下將高鐵酸鈉溶液蒸干。濕法制備的主要反應方程式為：

2Fe(OH)3+3ClO-+4OH-2Fe 3Cl-+5H2O

干法制備的主要反應為：2FeSO4+6Na2O2

2Na2FeO4+2Na2O+2Na2SO4+O2↑。

下列有關說法不正確的是()

A．高鐵酸鉀中鐵顯+3價

B．濕法制備的反應方程式中，氧化劑和還原劑的物質的量之比為3∶2

C．干法中每生成1 mol Na2FeO4轉移4 mol電子

D．K2FeO4處理水時，不僅能消毒殺菌，還能除去水體中的H2S、NH3等，生成的 Fe(OH)3還能吸附水中的懸浮雜質

[解析]：根據結構可知高鐵酸鉀中鐵顯+6價，故A錯。濕法制備中氧化劑和還原劑分別為ClO-、 Fe(OH)3，根據方程式可知它們的物質的量之比為3∶2，故B正確。干法中化合價升高的有鐵元素和氧元素，由方程式可知每生成1 mol Na2FeO4共轉移電子：4mol+1mol=5mol，故C錯。由于K2FeO4具有強氧化性，故可以氧化水中的還原性物質，還可以消毒殺菌，它的還原產物 Fe(OH)3 還能吸附水中的懸浮雜質，故D正確。所以答案為A、C。

例6、高鐵酸鈉（Na2FeO4）是水處理過程中的一種新型的消毒凈水劑。下列關于高鐵酸鈉性質敘述不正確的是 ( )

A．氧化性比三氯化鐵強

B．與加明礬效果相同

C．既殺菌又能沉降泥沙

D．與通氯氣效果相同

[解析]：明礬處理水的原理是Al3++3H2O

Al(OH)3+3H+， Al(OH)3能吸附水中的懸浮物，從而達到凈化水質的目的。氯氣處理水的原理是Cl2+H2O=HCl+HClO， HClO具有強氧化性，能殺滅水中的細菌和病毒。高鐵酸鹽（鈉、鉀）是六價鐵鹽，具有很強的氧化性，溶于水中能釋放大量的原子氧，從而非常有效地殺滅水中的細菌和病毒，而且高鐵酸鹽自身被還原成新生態的Fe(OH)3， 這是一種品質優良的無機絮凝劑，能高效地除去水中的微細懸浮物。因此正確答案為B、D。

3圍繞高鐵酸鹽電池命題

例7、（2005·江蘇）高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池能長時間保持穩定的放電電壓。高鐵電池的總反應為

3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3

+4KOH

下列敘述不正確的是()

A．放電時負極反應為：Zn-2e-+2OH-= Zn(OH)2

B．充電時陽極反應為：Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO +4H2O

C．放電時每轉移3mol電子，正極有1mol K2FeO4被氧化

D．放電時正極附近溶液的堿性增強

[解析]：本題考查了原電池、電解池的有關知識，放電時，裝置為原電池，Zn作負極，充電時，裝置為電解池，陽極發生氧化反應，所以A、B是正確的。放電時，正極反應為： FeO +4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-， 故電極附近溶液的堿性增強，正極所發生的反應為還原反應而不是氧化反應，故C錯。所以答案為C。

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