新型水处理剂――高铁酸盐
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文章编号：1005－6629(2007)08－0076－03中图分类号：G632.479 文献标识码：B
1702年，德国化学和物理学家Georg Stahl最先发现并报道了高铁酸盐，随后对高铁酸盐的研究一直没有中断过。1897年在实验室中合成出高铁酸钾。20世纪70年代以后，高铁酸盐被开发成一种非氯的新型高效饮水消毒剂和水处理剂， 国内外均作过较多的报道。
①高铁酸盐（钠、钾）是六价铁盐，具有很强的氧化性，溶于水中能释放大量的原子氧，从而非常有效地杀灭水中的细菌和病毒，具有杀菌力高、快速的特点。试验结果证明， 若水源中细菌含量未超过20万一30万个／mL时， 用浓度6mg／L的高铁酸钾处理30min，即可基本上将细菌杀死， 水中残存的细菌含量小于100个／mL， 达到饮用水质的标准。
②高铁酸盐自身被还原成新生态的Fe(OH)3，这是一种品质优良的无机絮凝剂，能高效地除去水中的微细悬浮物。实验证明，由于其强烈的氧化和絮凝共同作用，高铁酸盐的消毒和除污效果，全面优于含氯消毒剂和高锰酸盐。
③高铁酸盐除了具有优异的氧化漂白、高效絮凝、优良的杀菌作用以外，它还可迅速有效地去除废水中的有机污染物、重金属离子以及使废水脱色、脱臭，还可以控制冷凝循环水中生物粘垢的形成。高铁酸盐除臭主要是氧化掉诸如硫化氢(H2S)、 甲硫醇(CH3SH)、 甲基硫[(CH3)3S]、 氨气(NH3)等恶臭物质，将其转化为安全无味的物质。由于高铁酸盐在整个pH值范围都具有极强的氧化性，因而用于淤泥除臭处理是较为理想的方法。
④高铁酸盐在整个水的消毒和净化过程中，不会产生三氯甲烷等任何对人体有害的物质，不会引入有害生物体的二次污染。
⑤高铁酸盐适用的pH范围比含氯药剂宽，处理后的水无嗅无味，口感好，而且成本也低于其它净水剂。
因此，高铁酸盐是当今理想的多功能水处理剂，被科学家们公认为绿色消毒剂。 作为一种新型水处理剂，相信在不久的将来高铁酸盐一定会取代含氯药剂的地位。
除此以外，高铁酸钾在其它领域也有重要用途：是制造高性能、寿命长的环保型电池的重要原料，并具有制造成本低、废弃时对环境友好，以及再充电可达75%电量等优点。
高铁酸盐自发现以来一直有人从事其实验室的制备及工业化生产研究，但迄今仍没有形成人们所认可的成熟工艺。这主要是因为高铁酸盐的制备方法比较复杂，操作条件相对较苛刻，工业生产成本很高，尤其是产品回收率偏低，稳定性差，失去了价格竞争优势，这也就极大地限制了它的生产和应用，故而现今市场上基本没有这种产品。
近年来，围绕高铁酸盐的命题越来越多，主要表现在以下三个方面：
1 围绕高铁酸盐的制备命题
例１、近年来研究表明，高铁酸盐在能源、环境保护等方面有着十分广泛的用途。我国学者提出在浓NaOH溶液中用电化学方法来制备高铁酸盐[FeO ]，电解装置如图所示，阳极发生的电极反应为__________________，阴极发生的电极反应为____________________，总电解反应离子方程式为______________；电解一段时间后，收集到的某种气体为3.36L（已换算成标准状态），那么获得的高铁酸钠的物质的量为___________，阳极区周围溶液的pH________（升高、降低或不变）。
[解析]：由图知，铁是活泼阳极，失去电子被氧化，根据题中信息判断，在浓NaOH溶液中阳极的氧化产物应为FeO ，铁元素由0价升高到＋6价失去6e-，电极反应式右边带2个单位负电荷，左边应补充8OH-，同时生成4H2O：Fe+8OH--6e-=Fe +4H2O；阳极消耗了OH-，所以阳极周围溶液的pH降低。阴极是水电离出的H+得到电子被还原，生成H2同时留下OH-。
答案：Fe+8OH--6e-=FeO +4H2O；6H2O+6e-=3H2+6OH-；Fe+2H2O+2OH-=3H2+FeO ；0.05mol；降低
例2、高铁（VI）酸盐是新一代水处理剂，其制备方法有次氯酸盐氧化法（湿法）：该法是在碱性溶液中，利用次氯酸盐氧化三价铁盐，试写出并配平这一离子反应方程式____________________。
[解析]：根据题给信息可知反应物有：Fe3+、OH-、ClO-，生成物有FeO ，再根据氧化还原反应原理可推出ClO-的还原产物为Cl-，从而可写出离子方程式为：2Fe3++3ClO-+10OH-=2FeO +3Cl-+5H2O。
例3、A通常存在于钢铁中，它是由甲、乙两种化合物组成的混合物，甲和乙的含量、结构、分布对钢性能影响很大，使钢硬而脆，不宜进行机械加工。
已知：（1）甲和乙的组成元素相同，均由两种常见元素的原子以最简整数比构成的化合物，其相对分子质量分别为124、180。（2）C、D、H、I、J常温下为气体，H、I、J为单质，D是一种红棕色气体。（3）反应②为制备理想的绿色水处理剂Na2FeO4（高铁酸钠）的一种方法。（图中部分生成物没有列出。）
请填写以下空白：
⑴写出C的电子式_______________。
⑵写出反应①的化学方程式_______________。
反应②的离子方程式_______________。
⑶甲和乙的化学式分别为________、______，若A中组成元素的物质的量之比为4∶9，则乙在A中的物质的量分数为___________。
[解析]：本题将高铁酸钠的制备融于无机推断题中，使学生在不知不觉中了解了制备高铁酸钠的一种方法。由题意知，A通常存在于钢铁中，则为碳和铁两种元素组成的混合物，根据甲、乙的相对分子质量为124、180，可推出甲、乙分别为Fe2C、Fe3C。根据C为气体且能与Na2O2反应，可知C为CO2，从而可知气体H为O2，G为Na2CO3。D是一种红棕色气体，则D是NO2，进而可以确定B是HNO3，则E是水，F是Fe(NO3)3。根据E（H2O）+LI（单质气体）+J（单质气体）+K以及最后生成Na2FeO4，可确定L是NaCl，则K是NaOH， J是Cl2， I是H2。由J（Cl2）+K（NaOH）L（NaCl）+M可知M为NaClO。根据K（NaOH）+F[Fe(NO3)3]N， 可以确定N是Fe(OH)3。Fe(OH)3在OH-存在下被ClO-氧化得FeO 。
答案：⑴
2 围绕高铁酸盐的净水、消毒命题
例4、有人研究证明：使用氯气作自来水消毒剂，氯气会与水中有机物反应，生成如CHCl3等物质，这些物质可能是潜在的致癌致畸物质。目前人们已研发多种饮用水的新型消毒剂。下列物质不能作自来水消毒剂的是 （）
A.明矾B.二氧化氯
C.臭氧D.高铁酸钠( Na2FeO4)
[解析]：自来水消毒的原理是利用强氧化性将细菌和病毒杀死，因此能作自来水消毒剂的物质必须具有强氧化性，明矾只具有净水作用，故答案为A。
例5、高铁酸钾 (K2FeO4)是
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一种新型、高效、多功能水处理剂，是比Cl2、O3、ClO2、KMnO4氧化性更强、无二次污染的绿色处理剂。工业上是先制得高铁酸钠溶液，然后在低温下将高铁酸钠溶液蒸干。湿法制备的主要反应方程式为：
2Fe(OH)3+3ClO-+4OH-2Fe 3Cl-+5H2O
干法制备的主要反应为：2FeSO4+6Na2O2
2Na2FeO4+2Na2O+2Na2SO4+O2。
下列有关说法不正确的是()
A．高铁酸钾中铁显+3价
B．湿法制备的反应方程式中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为3∶2
C．干法中每生成1 mol Na2FeO4转移4 mol电子
D．K2FeO4处理水时，不仅能消毒杀菌，还能除去水体中的H2S、NH3等，生成的 Fe(OH)3还能吸附水中的悬浮杂质
[解析]：根据结构可知高铁酸钾中铁显+6价，故A错。湿法制备中氧化剂和还原剂分别为ClO-、 Fe(OH)3，根据方程式可知它们的物质的量之比为3∶2，故B正确。干法中化合价升高的有铁元素和氧元素，由方程式可知每生成1 mol Na2FeO4共转移电子：4mol+1mol=5mol，故C错。由于K2FeO4具有强氧化性，故可以氧化水中的还原性物质，还可以消毒杀菌，它的还原产物 Fe(OH)3 还能吸附水中的悬浮杂质，故D正确。所以答案为A、C。
例6、高铁酸钠（Na2FeO4）是水处理过程中的一种新型的消毒净水剂。下列关于高铁酸钠性质叙述不正确的是 ( )
A．氧化性比三氯化铁强
B．与加明矾效果相同
C．既杀菌又能沉降泥沙
D．与通氯气效果相同
[解析]：明矾处理水的原理是Al3++3H2O
Al(OH)3+3H+， Al(OH)3能吸附水中的悬浮物，从而达到净化水质的目的。氯气处理水的原理是Cl2+H2O=HCl+HClO， HClO具有强氧化性，能杀灭水中的细菌和病毒。高铁酸盐（钠、钾）是六价铁盐，具有很强的氧化性，溶于水中能释放大量的原子氧，从而非常有效地杀灭水中的细菌和病毒，而且高铁酸盐自身被还原成新生态的Fe(OH)3， 这是一种品质优良的无机絮凝剂，能高效地除去水中的微细悬浮物。因此正确答案为B、D。
3围绕高铁酸盐电池命题
例7、（2005・江苏）高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为
3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3
+4KOH
下列叙述不正确的是()
A．放电时负极反应为：Zn-2e-+2OH-= Zn(OH)2
B．充电时阳极反应为：Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO +4H2O
C．放电时每转移3mol电子，正极有1mol K2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
[解析]：本题考查了原电池、电解池的有关知识，放电时，装置为原电池，Zn作负极，充电时，装置为电解池，阳极发生氧化反应，所以A、B是正确的。放电时，正极反应为： FeO +4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-， 故电极附近溶液的碱性增强，正极所发生的反应为还原反应而不是氧化反应，故C错。所以答案为C。
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