聯招化學·工藝流程：氧化還原配平與分離提純操作

題目性質：自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題，非真題原文，未取自任何題庫、教輔或試卷；解析與採分點為教研整理，非官方評分標準。

一、考點定位與做題順序

配平四步固定：①標價（找出變價元素與升降數）；②配電子（升降數最小公倍數定氧化劑/還原劑係數）；③配電荷（酸性用 H⁺、鹼性用 OH⁻ 補到兩邊電荷相等）；④配原子（用 H₂O 補 H、O，最後查氧）。寫完原子守恆 + 電荷守恆雙回驗，缺一不可。

分離操作按性質選：固液不溶用過濾，溶解度隨溫度變化大用蒸發濃縮→冷卻結晶，變化小用蒸發結晶，互不相溶液體用分液/萃取，提純固體用重結晶。下面流程與數據均為自編示意。

二、題目呈現

自編流程（示意）

以某含 Fe²⁺ 的酸性浸出液製備鐵紅（Fe₂O₃）並聯產副產品，示意流程：

① 酸性浸出液（含 Fe²⁺、少量 Fe³⁺與不溶渣）→ 過濾除渣 → ② 加入自編氧化劑 H₂O₂ 把 Fe²⁺ 全部氧化為 Fe³⁺（酸性介質）→ ③ 加鹼調 pH 使 Fe³⁺ 轉化為 Fe(OH)₃ 沉澱 → ④ 過濾、洗滌、灼燒得 Fe₂O₃ → ⑤ 濾液經蒸發濃縮、冷卻結晶回收可溶性硫酸鹽。

題1（配平）

寫出步驟②中 H₂O₂ 在酸性條件下氧化 Fe²⁺ 的離子方程式並配平；說明四步配平過程，並做原子與電荷雙守恆回驗。若把介質換成鹼性，方程式應如何改寫？

題2（簡答）

分別說明步驟①、④、⑤中各分離操作的選擇依據；並解釋步驟④「洗滌沉澱」用什麼洗、怎麼判斷已洗淨，以及為什麼灼燒前要洗滌。

題3（簡答）

步驟⑤採用「蒸發濃縮、冷卻結晶」而非「直接蒸乾」，說明三點理由；若目標硫酸鹽的溶解度隨溫度變化很小，操作應改成什麼？並說明重結晶提純的一般步驟。

三、分步解析

題1 四步配平　① 標價：Fe²⁺ → Fe³⁺，升 1；H₂O₂ 中 O 為 −1 → H₂O 中 O 為 −2，每個 O 降 1，一分子 H₂O₂ 含 2 個 O，共降 2。② 配電子：升 1 與降 2 的最小公倍數為 2 → Fe²⁺ 係數 2、H₂O₂ 係數 1，得 2Fe²⁺ + H₂O₂ → 2Fe³⁺。③ 配電荷（酸性用 H⁺）：左邊電荷 2×(+2) = +4，右邊 2×(+3) = +6，右邊多 +2，故左邊補 2H⁺：2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ → 2Fe³⁺。④ 配原子：左邊 H 共 2(H₂O₂)+2(H⁺)=4、O 共 2，右邊補 2H₂O：
2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ = 2Fe³⁺ + 2H₂O。

題1 雙守恆回驗　原子：Fe 左 2 右 2 ✓；O 左 2 右 2 ✓；H 左 2+2=4 右 4 ✓。電荷：左 2×(+2) + 0 + 2×(+1) = +6，右 2×(+3) = +6 ✓。電子：2 mol Fe²⁺ 共失 2 mol e⁻，1 mol H₂O₂ 共得 2 mol e⁻ ✓。三查全過。
鹼性介質改寫：鹼性中不能出現 H⁺，Fe³⁺ 也會立即與 OH⁻ 生成沉澱，故產物寫成 Fe(OH)₃。用半反應法：氧化半反應 Fe²⁺ + 3OH⁻ = Fe(OH)₃ + e⁻（電荷 −1 = −1 ✓），還原半反應 H₂O₂ + 2e⁻ = 2OH⁻（電荷 −2 = −2 ✓）；前者乘 2 後相加、再約去兩邊 2OH⁻，得 2Fe²⁺ + H₂O₂ + 4OH⁻ = 2Fe(OH)₃↓。雙守恆回驗：Fe 2=2 ✓；O 左 2+4=6、右 2×3=6 ✓；H 左 2+4=6、右 2×3=6 ✓；電荷左 2×(+2)+4×(−1)=0、右 0 ✓。本問真正考點：介質決定配平粒子（酸性用 H⁺、鹼性用 OH⁻）與產物形態（酸性可寫遊離 Fe³⁺、鹼性必寫沉澱），不能把酸性式硬套到鹼性條件。

題2 分離依據　步驟①過濾：浸出液中含不溶渣，目標 Fe²⁺/Fe³⁺ 在溶液中，屬固液分離 → 過濾。步驟④過濾：Fe(OH)₃ 是沉澱，與濾液分離，仍用過濾；隨後洗滌除去沉澱表面吸附的可溶性硫酸鹽與鹼；灼燒使 2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O，得鐵紅。步驟⑤蒸發濃縮、冷卻結晶：濾液中可溶性硫酸鹽的溶解度隨溫度降低明顯減小，先濃縮至接近飽和再降溫，晶體析出而雜質多留在母液中。
洗滌用什麼：用蒸餾水（或稀的、不易溶解沉澱的洗液）少量多次；Fe(OH)₃ 不溶於水，用水不會損失目標物。怎麼判斷洗淨：取最後一次洗滌液少量，檢驗其中的雜質離子（如用 BaCl₂ 溶液檢驗 SO₄²⁻，無白色沉澱即洗淨；或檢驗 OH⁻/Na⁺ 視流程而定），不能取濾液、也不能取第一次洗液。灼燒前必須洗滌：不洗則吸附的可溶性鹽在灼燒後殘留為雜質，使產品純度與鐵紅含量偏低，且可能引入其他金屬氧化物。

題3 結晶條件　不直接蒸乾的三點理由：① 蒸乾會把母液中的可溶性雜質一併留在晶體中，產品純度下降（冷卻結晶時雜質多留在母液，可分離）；② 高溫長時間蒸發可能使目標鹽分解、水解或失去結晶水（含結晶水的硫酸鹽尤其）；③ 蒸乾得到的常是粉末或結塊，晶體形貌差、不易過濾洗滌，且能耗高、易局部過熱飛濺。
溶解度隨溫度變化很小：改用蒸發結晶（蒸發至近飽和後趁熱過濾/繼續蒸至析出），靠減少溶劑而非降溫析晶（如 NaCl 型）。
重結晶一般步驟：① 選合適溶劑（目標物高溫溶解度大、低溫小，雜質要麼不溶要麼始終易溶）；② 加熱溶解粗品製得近飽和熱溶液；③ 趁熱過濾除不溶雜質；④ 冷卻結晶使目標物析出、易溶雜質留母液；⑤ 過濾、用少量冷溶劑洗滌、乾燥；必要時重複一次。答題要寫出「趁熱過濾」與「少量冷洗」兩個易漏點。

守恆與操作回驗　把題1 酸性式與流程②的條件對照：酸性浸出液 → 有 H⁺ 可用 ✓；H₂O₂ 作氧化劑不引入新金屬離子 ✓；產物 Fe³⁺ 進入下一步調 pH 沉 Fe(OH)₃ ✓，前後銜接自洽。再把題2 的操作按「固液不溶→過濾 / 沉澱→過濾洗滌 / 可溶鹽且溶解度隨溫變→濃縮冷卻結晶」逐一對迴流程節點，五步都落得上 ✓。

四、採分點對照

五、高頻易錯點

• 配平只憑感覺湊係數，不先算 H₂O₂ 的降 2（每個 O 降 1、一分子兩個 O）。
• 酸性方程式漏補 2H⁺，或電荷不守恆也沒回驗。
• 鹼性條件下仍寫 H⁺ 或讓 Fe³⁺ 遊離存在，忽略沉澱形態。
• 把「蒸發濃縮、冷卻結晶」寫成「蒸乾」，答不出純度與分解兩點。
• 判斷洗淨時取濾液或第一次洗液，而不是最後一次洗滌液。
• 洗滌用大量水或熱水，導致沉澱/晶體損失。
• 溶解度隨溫度變化小的鹽仍用冷卻結晶，不會改蒸發結晶。
• 重結晶漏寫「趁熱過濾」與「少量冷溶劑洗滌」。
• 操作題只寫操作名不寫選擇依據（誰的溶解度、誰不溶）。

六、小結與自查清單

• □ 配平第一步先標變價元素，算出升降總數。
• □ 按介質選配平粒子：酸性 H⁺/H₂O、鹼性 OH⁻/H₂O。
• □ 寫完做原子、電荷、電子三項回驗。
• □ 操作題寫「為什麼選它」，帶上溶解度或不溶性依據。
• □ 洗滌一律「少量多次 + 取末次洗液驗雜質離子」。
• □ 結晶題區分「冷卻結晶」與「蒸發結晶」的適用條件。
• □ 重結晶五步寫全，別漏趁熱過濾與冷洗。
• □ 鹼性條件下檢查是否出現 H⁺ 或遊離 Fe³⁺。

流程題的兩處硬分，一是配平（先算升降數，再按介質補 H⁺/OH⁻，最後雙守恆回驗），二是操作（按不溶性與溶解度選過濾、冷卻結晶還是蒸發結晶）。把「為什麼選這個操作」和「取末次洗液驗雜質」寫進去，答案就從操作名變成了可給分的依據。本組流程、方程式與數據均為原創自編仿真內容。