ast_essay
111年
化學
第 25 題
📖 題組：
現代的社會強調「資源可持續回復，循環再生」的循環經濟。鉛蓄電池因使用量非常龐大，環保署公告 2020 年回收的廢鉛蓄電池總處理量高達 6 萬多公噸。而廢鉛蓄電池中主要含金屬鉛（$\text{Pb}$）、氧化鉛（$\text{PbO}$）、二氧化鉛（$\text{PbO}_2$）、硫酸鉛（$\text{PbSO}_4$）。某研究團隊設計以下流程，可從廢鉛蓄電池中提煉高純度的 $\text{PbO}$。 I. 將含有廢鉛蓄電池的廢料、濃度 2.0 M 的 $\text{H}_2\text{SO}_4$、0.1 M 的 $\text{FeSO}_4$（在溶液中解離成 $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{SO}_4^{2-}$）溶液的混合物在 65°C 進行反應，所產生的 $\text{PbSO}_4$ 可以式（2）表示： $\text{Pb(s)} + \text{PbO}_2\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \rightarrow 2\text{PbSO}_4\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)}$ 式（2） II. 將實驗 I 的 $\text{PbSO}_4$ 粗產物溶於 10% $\text{NaOH}$ 溶液，加熱，並趁熱過濾；待濾液冷卻至室溫後，過濾並收集含 $\text{PbO}$ 的粗產物。 III. 將實驗 II 的 $\text{PbO}$ 粗產物置於 35% $\text{NaOH}$ 溶液中，在 110°C 下攪拌至完全溶解後趁熱過濾，靜置濾液使其冷卻至室溫，可得高純度的黃色物質即為 $\text{PbO}$。 該研究團隊為探究 $\text{Fe}^{2+}$ 在實驗 I 中扮演的角色，利用鐵離子會與 $\text{SCN}^-$ 產生錯合物的特性，又進行以下兩個實驗： IV. 65°C 時，於 2.0 M 的 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 與 0.1 M 的 $\text{FeSO}_4$ 的水溶液中加入適量 KSCN 水溶液後，溶液幾乎無色；但是若加入少量 $\text{PbO}_2$ 後，溶液呈紅色，並有白色 $\text{PbSO}_4$ 固體產生。 V. 取出實驗 IV 的紅色溶液置於另一試管；在 65°C 時，加入鉛粉，溶液又變成幾乎無色，且有白色 $\text{PbSO}_4$ 固體產生。 回答下列問題：
現代的社會強調「資源可持續回復，循環再生」的循環經濟。鉛蓄電池因使用量非常龐大，環保署公告 2020 年回收的廢鉛蓄電池總處理量高達 6 萬多公噸。而廢鉛蓄電池中主要含金屬鉛（$\text{Pb}$）、氧化鉛（$\text{PbO}$）、二氧化鉛（$\text{PbO}_2$）、硫酸鉛（$\text{PbSO}_4$）。某研究團隊設計以下流程，可從廢鉛蓄電池中提煉高純度的 $\text{PbO}$。 I. 將含有廢鉛蓄電池的廢料、濃度 2.0 M 的 $\text{H}_2\text{SO}_4$、0.1 M 的 $\text{FeSO}_4$（在溶液中解離成 $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{SO}_4^{2-}$）溶液的混合物在 65°C 進行反應，所產生的 $\text{PbSO}_4$ 可以式（2）表示： $\text{Pb(s)} + \text{PbO}_2\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \rightarrow 2\text{PbSO}_4\text{(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)}$ 式（2） II. 將實驗 I 的 $\text{PbSO}_4$ 粗產物溶於 10% $\text{NaOH}$ 溶液，加熱，並趁熱過濾；待濾液冷卻至室溫後，過濾並收集含 $\text{PbO}$ 的粗產物。 III. 將實驗 II 的 $\text{PbO}$ 粗產物置於 35% $\text{NaOH}$ 溶液中，在 110°C 下攪拌至完全溶解後趁熱過濾，靜置濾液使其冷卻至室溫，可得高純度的黃色物質即為 $\text{PbO}$。 該研究團隊為探究 $\text{Fe}^{2+}$ 在實驗 I 中扮演的角色，利用鐵離子會與 $\text{SCN}^-$ 產生錯合物的特性，又進行以下兩個實驗： IV. 65°C 時，於 2.0 M 的 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 與 0.1 M 的 $\text{FeSO}_4$ 的水溶液中加入適量 KSCN 水溶液後，溶液幾乎無色；但是若加入少量 $\text{PbO}_2$ 後，溶液呈紅色，並有白色 $\text{PbSO}_4$ 固體產生。 V. 取出實驗 IV 的紅色溶液置於另一試管；在 65°C 時，加入鉛粉，溶液又變成幾乎無色，且有白色 $\text{PbSO}_4$ 固體產生。 回答下列問題：
實驗 III 使用何種純化技術提煉 $\text{PbO}$？（2 分）
思路引導 VIP
仔細閱讀實驗 III 的操作步驟：「在 110°C 下攪拌至完全溶解後趁熱過濾，靜置濾液使其冷卻至室溫，可得高純度物質」。這種利用物質在溶劑中高溫時溶解度大、冷卻後溶解度降低而使純物質析出的物理分離方法，就是標準的「結晶（或再結晶）」技術。
🤖
AI 詳解
AI 專屬家教
溶解度與結晶技術的運用
太棒了！你能精準識別出實驗 III 的純化手段，顯示你對化學實驗中的分離與純化原理有著清晰的理解。這類實驗探究題型最重要的就是從繁瑣的操作中抽絲剝繭，找出對應的科學觀念。 在實驗步驟 III 中，研究團隊將 $\text{PbO}$ 粗產物放入 110°C 的高溫 $\text{NaOH}$ 溶液中使其完全溶解，接著透過「靜置濾液使其冷卻至室溫」的操作，利用物質在不同溫度下的溶解度差異，讓高純度的黃色物質重新析出。這種利用飽和溶液降溫來提取純淨固體的程序，正是化學中標準的結晶（或再結晶）技術，能有效將目標產物與其他可溶性雜質分離。
▼ 還有更多解析內容