化学自习室移动版

高铁酸钾于1702年发现并报道于世。至今已制 备出了多种碱金属、碱土金属和过渡金属的高铁酸 盐，这类化合物可用于替代二氧化锰作干电池的电 极材料、作为有机化学反应的选择性氧化剂和用于 制备磁记忆材料等。近年来，我国研究较多的是高 铁酸盐化合物在水处理方面的应用，这是由于高铁 酸钾对含有腐殖质的水的消毒过程不会产生有致癌 作用的三卤甲烷(THM)，生成的Fe^3＋、Fe(OH)₃胶体对 水中的悬浮物、有机和无机污染物均具有凝聚、吸 附和沉淀的作用，净水效果非常明显，也不会造成 二次污染。因此，高铁酸钾是一种新型、高效、 广谱水处理剂，应用前景非常广阔。

1、结构

FeO₄^2－的结构式如下：

其中，FeO₄^2－中的四个铁氧键基本相同，Fe原子具有正四面体结构。构成高铁酸钾晶胞的基本结 构单元是FeO₄^2－，每个晶胞中含有4个K₂FeO₄ “分 子”。

2、物理性质

纯高铁酸钾是具有紫黑色光泽的细微结晶粉 末，含杂质(如KCl、KOH)的高铁酸钾呈灰黑色。干 燥的高铁酸钾在198℃以下是稳定的，它极易溶于水而形成类似高锰酸钾的紫红色溶液。

3、化学性质

(1) 不稳定性

高铁酸钾仅在浓碱溶液中能暂时存在，稀释时 便会逐渐分解放出氧气。

(2) 强氧化性

Fe(III)作为还原剂时的标准电极电势如下：

FeO₄^2－＋8H^＋＋3e^- = Fe^3＋＋4H₂O   =2.2V

FeO₄₂ ＋4H₂O＋3e^- = Fe(OH)₃＋5OH^－   =0.72V

从电极电势可以看出，在酸性介质中FeO₄^2－是 一个强氧化剂，一般的氧化剂很难把Fe^3＋氧化成 FeO₄^2－；相反，在碱性介质中，Fe(III)却能被一些氧化剂如NaClO所氧化。

高铁酸钾是比KMnO₄、O₃、Cl₂、ClO₂等氧化性更强的氧化剂。在碱性和中性环境下，其水溶液可氧化水而自身分解

4FeO₄^2－＋4H₂O=2Fe₂O₃＋8OH^－＋3O₂

2FeO₄^2－＋5H₂O=2Fe(OH)₃＋4OH^－＋3/2O₂

高铁酸钾在酸性介质中的氧化性强于碱性介质，且迅速分解而生成 Fe^3＋； 2FeO₄^2－＋ 10H^＋=2Fe^3＋＋3/2O₂＋5H₂O

4、制备方法

目前，制备高铁酸钾的方法很多。主要有以下 三种：干法、湿法、电解法

(1) 干法

该法是将固态铁的化合物与氧化剂及其他反应 物混合并加热共融，可以得到高铁酸盐。如将 Fe₂O₃、KNO₃、KOH混合并加热共融，可以得到高铁酸钾：Fe₂O₃ ＋3KNO₃ ＋4KOH =2K₂FeO₄ ＋3KNO₂ ＋ 2H₂O；也可以用过氧化物与铁的化合物反应制备高铁酸钾，如将Na₂O₂和FeSO₄在密闭、干燥的环境中混勻，在N₂气流中加热反应，可得Na₂FeO₄粉末， 方程式为 2FeSO₄ ＋6Na₂O₂ = 2Na₂FeO₄ ＋2Na₂O ＋ 2Na₂SO₄＋O₂，产物溶于浓NaOH溶液中并进行抽 滤，在滤液中加人KOH固体至饱和就可以析出高 铁酸钾固体。

(2) 湿法

该法是在溶液中进行的反应，此法要求溶液必须是强碱性的，通常用次氯酸盐作氧化剂。首先制备次氯酸钾饱和溶液：2KOH＋Cl₂=KClO＋KCl＋H₂O，再加人Fe (OH)₃，合成高铁酸钾:2Fe (OH)₃＋3ClO^－ ＋ 4OH^－=2FeO₄^2－＋3Cl^－＋5H₂O； Br₂可以将 Fe (OH)₃氧 化成高铁酸钾：2Fe(OH)₃ ＋ 10KOH＋3Br₂=2K₂FeO₄＋6KBr＋8H₂O

(3)电解法

电解法通常以浓的强碱溶液为电解液，以金属 铁或者铁的化合物为起始原料，采用惰性电极，电 解生成铁的六价化合物，反应为Fe＋2NaOH＋2H₂O= Na₂FeO₄＋3H₂，Fe＋2KOH＋2H₂O=K₂FeO₄＋3H₂， 以金属铁为电极原料合成高铁酸钾比以三氧化二铁 为起始原料更加方便，合成方法简单，电流效率 高，而且产品监测容易进行。

5、练习

(1) (2005•江苏化学卷.14)高铁电池是一种新 型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能较长时间保持稳定电压。高铁电池的总反应为： 3Zn＋2K₂FeO₄＋8H₂O  3Zn(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=FeO₄^2－ ＋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：根据题给总反应式，髙铁电池放电时必是锌在负极失去电子，高铁酸钠在正极得到电 子。充电时，阳极上氢氧化铁转化成高铁酸钠。放 电时正极附近生成OH^－离子，碱性要增强。本题考查考生运用原电池、电解等基础理论解决新情景问题的能力，试题又跟能源问题相联系，很有吸引 力。

答案：C

(2) (2007.山东理科综合.29)铁合金是金属材 料王国的霸主，亚铁盐、铁盐、髙铁酸盐等铁的重 要化合物在不同领域中个扮演着重要的角色。这些 化合物之间可以相互转化，利用转化过程中发生的 特征变化，不仅能够实现物质或能量的转化，还用 于化学的定性或定量研究。

已知4FeO₄^2－只能在强碱性介质中稳定存在，在 酸性介质或水中不稳定，如4FeO₄^2－＋20H⁺=4Fe^3＋＋3O₂＋10H₂O ；4FeO₄^2－＋ 10H₂O = 4Fe(OH)₃＋3O₂＋8OH^－

请利用下列用品：FeCl₂溶液(浅绿色)、FeCl₃溶液(黄 色)、Na₂FeO₄溶液(紫红色)、铁粉、KSCN溶液、NaOH 溶液、NaClO溶液、盐酸、金属锌片、惰性电极(或放电 物质做电极)材料、蒸馏水及必要的实验仪器，完 成下列任务：

①设计一个实现上述转化①或者④的 实验方案(要求产物纯净)，写出简要的实验步骤。                                                            

②在浓碱中，用NaClO可以实现转化②，这一 反应的离子方程式为(不必配平)             。

③一种新型高能碱性电池利用转化③将化学能 转化为电能，该电池由电解质(KOH水溶液)、 K₂FeO₄、金属锌及必要的填充材料构成。该电池放电时发生反应的化学方程式为                 (不必配平)

④高铁酸盐是比高锰酸盐更强的氧化剂，研究证明它是一种“绿色环保高效”净水剂。目前国内 外广泛使用的含氯饮用水消毒剂(均为含氯的物 质：如漂白粉、氣气和二氧化氯等，它们具很好的杀菌效果，但不能除去水中的悬浮杂质，为了除去水中的细微悬浮物，还需另外添加絮凝剂，如聚合铝的氯化物。高铁酸盐的性能更为优良，为什么说它作为净水剂是“绿色环保髙效”的)？                              。

解析：本题起点高，但是落点非常低。(1) 本小题是一道开放性试题，可以根据自己的知识储 备任意选择一种情况；(2)、(3)考查考生对氧化还原 基础知识的理解和应用能力；(4)考查考生对胶体知 识的了解及在日常生活中的应用。

答案:(1)，④：在三氣化铁溶液中加入过量 的铁粉，充分反应后，过滤，滤液在氯化氢的蒸气中蒸干，可得氯化亚铁固体。

(2) 3ClO^－＋2Fe(OH)₃＋4OH^－=2FeO₄^2－＋3Cl^－＋5H₂O

(3) 2K₂FeO₄＋3Zn＋8H₂O = 2Fe (OH)₃＋3Zn (OH)₂＋4KOH

(4) 该净水剂在杀菌消毒的过程中被还原为＋3 价的铁，形成具有强吸附性的氢氧化铁，通过吸附 与水中的细微悬浮物共同聚沉，对环境和生命体都 不会构成危害。

(1997•上海.27)高铁酸钠(Na₂FeO₄)是水处理 过程中使用的一种新型净水剂，它氧化性比高锰酸 钾更强，本身在反应中被还原为Fe^3＋离子。

①配平制取高铁酸钠的化学方程式:_    Fe(NO₃)₃＋__NaOH＋    Cl₂   =__ Na₂FeO₄＋     NaNO₃＋__NaCl＋     H₂O；反应中______ 元素被氧化，转移电子总数为_______

②高铁酸钠之所以能净水，除了能消毒外，另 一个原因是                     

解析：本题考査考生配平氧化还原方程式的能 力以及对胶体知识的掌捏和应用。

答案：①根据电子转移守恒，得 2，16，3，2，6，6，8，②Na₂FeO₄在分解过程中生成Fe (OH)3胶体吸附水中的悬浮物，达到净化水的 目的。