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，工藝流程如下：

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Mn^2＋，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^－3 K₂=1.7×10^－7 K₃=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－+H₂OHAsO₄^2－+OH^－，該步水解的平衡常數（25℃）為：                  （保留兩位有效數字）。

Answer 1

 （17分）
（1）0.3 （2分）
（2）5.7×10^－17（2分）
（3）2H^＋+MnO₂+H₃AsO₃==H₃AsO₄+Mn^2＋+H₂O （3分）
（4）①CaSO₄（2分）
②H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節到8左右，c(AsO₄^3－)增大，Ca₃(AsO₄)₂開始沉淀（3分）[或：pH增大，促進H₃AsO₄電離，c(AsO₄^3－)增大，Qc=c³(Ca^2＋)·c²(AsO₄^3－)≥K_sp[Ca₃(AsO₄)₂，Ca₃(AsO₄)₂才沉淀]
③ （2分）       2.5×10^－3（3分）

試題分析：（1）讀表2中信息，以1L廢水為研究對象，其中含有29.4gH₂SO₄，由于硫酸的相對分子質量為98，m/M=n，則n(H₂SO₄)=29.4g÷98g/mol=0.3mol，由于c=n/V，則c(H₂SO₄)=0.3mol÷1L=0.3mol/L；（2）FeAsO₄是難溶鹽，廢水中存在其沉淀溶解平衡：FeAsO₄ (s)Fe³⁺+AsO₄^3－，則K_sp(FeAsO₄)=c(Fe³⁺)?c(AsO₄^3－)，所以c(AsO₄^3－)= K_sp(FeAsO₄)/c(Fe³⁺)=5.7×10^－21/1.0×10^－4 mol·L^－1=5.7×10^－17 mol·L^－1；（3）H₃AsO₃失去2個電子被氧化為H₃AsO₄，MnO₂得到2個電子被還原為Mn^2＋，廢水是酸性溶液，根據電子、電荷、原子守恒原理可得：2H^＋+MnO₂+H₃AsO₃==H₃AsO₄+Mn^2＋+H₂O；（4）①由于CaO+2H⁺==Ca²⁺+H₂O，讀表1中信息可知，加入生石灰調解pH到2時，增大鈣離子濃度，使CaSO₄ (s)Ca²⁺+SO₄^2－的平衡向左移動，析出CaSO₄沉淀[加入生石灰調解pH到2時，增大鈣離子濃度，使Qc=c(Ca^2＋)·c(SO₄^2－)≥K_sp[CaSO₄)，開始析出CaSO₄沉淀]；②H₃AsO₄是弱酸，當溶液中pH調節到8左右，c(AsO₄^3－)增大，Ca₃(AsO₄)₂ (s) 3Ca²⁺+2AsO₄^3－的平衡向左移動，開始析出Ca₃(AsO₄)₂沉淀[或pH增大，促進H₃AsO₄電離，c(AsO₄^3－)增大，Qc=c³(Ca^2＋)·c²(AsO₄^3－)≥K_sp[Ca₃(AsO₄)₂，Ca₃(AsO₄)₂才沉淀]；③多元弱酸分步電離，則H₃AsO₄H⁺+H₂AsO₄^－、H₂AsO₄^－H⁺+HAsO₄^2－、HAsO₄^2－H⁺+AsO₄^3－，根據平衡常數定義式可得，第三步電離平衡常數K₃="[" c(H⁺)? c(AsO₄^3－)]/ c(HAsO₄^2－)；水的離子積常數K_w= c(H⁺)? c(OH^－)，AsO₄^3－+H₂OHAsO₄^2－+OH^－的平衡常數的計算表達式為[c(HAsO₄^2－)?c(OH^－)]/ c(AsO₄^3－)，分子、分母同時乘以c(H⁺)，則水解平衡常數=[c(HAsO₄^2－)?c(OH^－)? c(H⁺)]/[ c(H⁺)?c(AsO₄^3－)]= K_w/K₃=（1.0×10^－14）÷（4.0×10^－12）=2.5×10^－3。