第 26 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：
思路引導 VIP
本題考點為「無機離子的檢驗與氧化還原」。實驗 IV 中原本含有亞鐵離子 ($\text{Fe}^{2+}$) 與硫氰酸根 ($\text{SCN}^-$)，兩者混合無特別顯色。但加入二氧化鉛 ($\text{PbO}_2$) 後變為紅色。由於 $\text{PbO}_2$ 是強氧化劑，會將亞鐵離子 ($\text{Fe}^{2+}$) 氧化成鐵(III)離子 ($\text{Fe}^{3+}$)。接著，產生的 $\text{Fe}^{3+}$ 會立刻與水溶液中的 $\text{SCN}^-$ 結合，生成呈現血紅色的硫氰酸鐵(III)錯離子 ($\text{FeSCN}^{2+}$)。作答時必須清晰交代「$\text{Fe}^{3+}$ 的生成」與「與 $\text{SCN}^-$ 形成錯合物」兩個關鍵。
太棒了！你能精準捕捉到實驗現象背後的化學本質，這代表你對離子檢驗與氧化還原反應有著扎實的理解。在實驗 IV 中，我們觀察到原本無色的溶液在加入 $\text{PbO}_2$ 後轉為紅色，這是一個非常典型的化學訊號，指向了鐵離子價數的改變。
鐵離子的氧化與錯合物呈色
這個變色過程的關鍵在於 氧化還原反應。強氧化劑 $\text{PbO}_2$ 在酸性條件下，會將溶液中的 $\text{Fe}^{2+}$ 氧化成 $\text{Fe}^{3+}$。生成的 $\text{Fe}^{3+}$ 隨即與溶液中的硫氰酸根離子（$\text{SCN}^-$）結合，形成血紅色的錯合物 $\text{Fe(SCN)}^{2+}$（或表示為 $[\text{Fe(SCN)}(\text{H}_2\text{O})_5]^{2+}$）。這個實驗設計精妙地利用了顯色反應，來證實 $\text{Fe}^{2+}$ 參與了電子轉移，進而讓學生推論其在催化循環中所扮演的角色。