Question

6．重鉻酸鈉（Na₂Cr₂O₇•2H₂O）是重要的化工原料，在化學(xué)工業(yè)和制藥工業(yè)中常用作氧化劑．可用一種鉻鐵礦（主要成分：FeO•Cr₂O₃，還含有少量的Al₂O₃）通過以下流程來制取重鉻酸鈉如圖1．

回答下列問題：
（1）寫出Cr元素基態(tài)原子的外圍電子排布式3d⁵4s¹．
（2）步驟I中反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），反應(yīng)中被氧化的元素是Fe、Cr，生成2mol Fe₂O₃時(shí)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為28mol．
（3）步驟II中加入NaOH溶液時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式為2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O．
（4）+3、+6價(jià)鉻都有很強(qiáng)的毒性，+6價(jià)鉻的毒性更高，可誘發(fā)肺癌和鼻咽癌．工業(yè)上常用電解法來處理含Cr₂O₇^2-的廢水，電解裝置模擬示意圖如圖2（電極材料為鐵和石墨）．通電后，Cr₂O₇^2-在b極附近轉(zhuǎn)變?yōu)镃r³⁺，一段時(shí)間后Cr³⁺最終可在a極附近變成Cr（OH）₃沉淀而被除去．a(chǎn)電極的電極材料是石墨，b電極附近生成Cr³⁺的反應(yīng)的離子方程式是Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O．
（5）將含Cr₂O₃為50%的鉻鐵礦30.4kg，按上述流程制取產(chǎn)品Na₂Cr₂O₇•2H₂O，假設(shè)整個(gè)流程中鉻元素的利用率為80%，則最終能制得Na₂Cr₂O₇•2H₂O23.84kg．

Answer 1

分析 工業(yè)鉻鐵礦（FeO•Cr₂O₃，含少量Al₂O₃和SiO₂），首先是加入碳酸鈉煅燒，F(xiàn)eO•Cr₂O₃和碳酸鈉在一起作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，化學(xué)方程式為：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），生成氧化鐵，鉻酸鈉和二氧化碳，加入氫氧化鈉，2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O，除去氧化鋁，將溶液的pH調(diào)至7～8并煮沸，NaAlO₂等雜質(zhì)可以以沉淀的形式除去，水浸過濾后得到Na₂CrO₄溶液，加入硫酸酸化反應(yīng)為：2Na₂CrO₄+H₂SO₄?Na₂SO₄+Na₂Cr₂O₇+H₂O，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾洗滌得到晶體，鉻渣為Na₂SO₄．
（1）Cr元素為24號元素，原子核外有24個(gè)電子，根據(jù)核外電子排布規(guī)律書寫，價(jià)電子排布式為外圍電子排布式；
（2）化學(xué)反應(yīng)中有化合價(jià)升降的反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，還原劑是在反應(yīng)中所含元素化合價(jià)升高的反應(yīng)物，還原劑中化合價(jià)升高的元素被氧化，依據(jù)化學(xué)方程式4FeO•Cr₂O₃+8Na₂CO₃+7O₂=2Fe₂O₃+8Na₂CrO₄+8CO₂，分析反應(yīng)過程中元素化合價(jià)變化，計(jì)算電子轉(zhuǎn)移總數(shù)得到；
（3）步驟II中加入NaOH溶液時(shí)氧化鋁和氫氧化鈉反應(yīng)生成溶于水的偏氯酸鈉和水，以便通過調(diào)PH以沉淀形式除去；
（4）a連接電源負(fù)極，所以a為陰極，連接石墨；b連接電源正極，所以b為電解槽的陽極；陽極鐵發(fā)生氧化反應(yīng)；
（5）根據(jù)鉻元素守恒分析計(jì)算．

解答 解：（1）Cr元素為24號元素，原子核外有24個(gè)電子，所以核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹，它的外圍電子排布式是3d⁵4s¹，
故答案為：3d⁵4s¹；
（2）步驟I中反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），元素的化合價(jià)變化為：4個(gè)Fe由+2→+3，8個(gè)Cr由+3→+6，28個(gè)O由0→-2，轉(zhuǎn)移28e^-，化合價(jià)升高的元素被氧化，所以反應(yīng)中被氧化的元素是Fe、Cr（或鐵、鉻），生成2mol Fe₂O₃時(shí)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為28mol，
故答案為：Fe、Cr（或鐵、鉻）；28；
（3）步驟II中加入NaOH溶液時(shí)氧化鋁和氫氧化鈉反應(yīng)：2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O，除去氧化鋁，將溶液的pH調(diào)至7～8并煮沸，NaAlO₂等雜質(zhì)可以以沉淀的形式除去，水浸過濾后得到Na₂CrO₄溶液，
故答案為：2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O；
（4）根據(jù)電解槽圖示可知，a為陰極，a電極的電極材料是石墨，溶液顯示酸性，溶液中氫離子得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為：2H⁺+2e^-=H₂↑，b為陽極，鐵失去電子生成亞鐵離子，亞鐵離子被Cr₂O₇^2-氧化成鐵離子，反應(yīng)的方程式為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，
故答案為：石墨；Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；
（5）含Cr₂O₃為50%的鉻鐵礦30.4kg，含Cr₂O₃質(zhì)量為30.4×10⁶×50%g，流程中鉻元素的利用率為80%，根據(jù)鉻元素守恒，則最終能制得Na₂Cr₂O₇•2H₂O：$\frac{30.4×1{0}^{6}×50%g}{152g/mol}×2×298g/mol$×80%=23.84kg，
故答案為：23.84．

點(diǎn)評 本題考查了重鉻酸鈉制備的流程分析判斷，物質(zhì)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)操作的分析應(yīng)用，掌握電解原理、氧化還原反應(yīng)原理、物質(zhì)的分離提純方法是解題關(guān)鍵，題目難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�、分析問題、解決問題的能力．