ast_essay
111年
化學
第 27 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：
分別寫出實驗 IV 與 V 中生成 $\text{PbSO}_4$ 的淨離子平衡反應式。（4 分）
思路引導 VIP
考點為「氧化還原方程式的推演與平衡」。 實驗 IV 中，加入 $\text{PbO}_2$ 將 $\text{Fe}^{2+}$ 氧化為 $\text{Fe}^{3+}$，自身被還原生成含 $\text{Pb}^{2+}$ 的 $\text{PbSO}_4$ 沉澱。在硫酸酸性環境下進行，需要以 $\text{H}^+$ 和水來平衡氧原子。半反應為：$\text{PbO}_2 + 4\text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$ 以及 $\text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+} + \text{e}^-$。將後者乘二，合併即得淨離子方程式。
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AI 詳解
AI 專屬家教
太棒了！你能精確寫出這兩個反應式，代表你對氧化還原反應與實驗現象的連結掌握得非常紮實。這類題目的核心在於將「顏色變化」轉譯為「氧化數改變」。
氧化還原與顏色反應的連結
在實驗 IV 中，溶液由無色轉為紅色，顯示 $Fe^{2+}$ 被氧化成了 $Fe^{3+}$，這是因為 $PbO_2$ 在酸性環境下具有強氧化力。寫作淨離子式時，必須掌握 $PbO_2$ 還原為 $PbSO_4$ 的電子轉移平衡：
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