Question

20．工業(yè)上利用氟碳鈰礦（主要成分CeCO₃F）提取CeCl₃的一種工藝流程如圖：

請回答下列問題：
（1）CeCO₃F中，Ce元素的化合價(jià)為+3．
（2）酸浸過程中可用稀硫酸和H₂O₂替換HCl，優(yōu)點(diǎn)為避免產(chǎn)生Cl₂，不會(huì)造成環(huán)境污染；寫出稀硫酸、H₂O₂與CeO₂反應(yīng)的離子方程式：H₂O₂+2CeO₂+6H⁺=2Ce³⁺+4H₂O+O₂↑
（3）寫出Ce（BF₄）₃中加入KCl溶液反應(yīng)的離子方程式：Ce（BF₄）₃+3K⁺═3KBF₄+Ce³⁺
（4）化學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，SbF₅轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定離子[SbF₆]^-的鹽反應(yīng)得到，SbF₅轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定離子[SbF₆]^-的鹽．而SbF₄很不穩(wěn)定，受熱易分解為SbF₃和F₂．根據(jù)據(jù)以上研究寫出以K₂MnF₆和SbF₅為原料，在 423K 的溫度下制備F₂的化學(xué)方程式：2K₂MnF₆+4SbF₅$\frac{\underline{\;423K\;}}{\;}$4KSbF₆+2MnF₃+F₂↑．
現(xiàn)代工業(yè)以電解熔融的氟氫化鉀（KHF₂）和氟化氫（HF）混合物制備氟單質(zhì)，電解制氟裝置如圖所示． 已知KHF₂是一種酸式鹽，寫出陰極上發(fā)生的電極反應(yīng)式2HF₂^-+2e^-═H₂↑+4F^-．電解制氟時(shí)，要用鎳銅合金隔板將兩種氣體產(chǎn)物嚴(yán)格分開的原因是氟氣和氫氣能發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)爆炸．

（5）已知25℃時(shí)，HF的電離平衡常數(shù)K_a=3.6×10^-4，CaF₂的溶解積常數(shù)K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10．現(xiàn)向1L 0.2mol/L HF溶液中加入 1L 0.2mol/L CaCl₂ 溶液，通過列式計(jì)算說明是否有沉淀產(chǎn)生：c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L^-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，c²（F^-）•c（Ca²⁺）=3.6×10^-5×0.1=3.6×10^-6＞1.46×10^-10，該體系有CaF₂沉淀．

Answer 1

分析 由氟碳鈰礦（主要成分CeCO₃F）提取CeCl₃的工藝流程，CeCO₃F焙燒得CeO₂、CeF₄，用鹽酸和硼酸酸浸，過濾得沉淀Ce（BF）₄和CeCl₃濾液，Ce（BF）₄與氯化鉀溶液反應(yīng)得到CeCl₃和KBF₄，CeCl₃與前面濾液中CeCl₃的合并再加氫氧化鈉，得Ce（OH）₃沉淀，Ce（OH）₃沉淀與鹽酸反應(yīng)可得CeCl₃•6H₂O，加熱CeCl₃•6H₂O和NH₄Cl的固體混合物可得到無水CeCl₃，
（1）根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和為0判斷；
（2）用稀硫酸和H₂O₂替換HCl不會(huì)造成環(huán)境污染；在酸性條件下H₂O₂能還原CeO₂生成Ce³⁺，根據(jù)元素守恒和電荷守恒書寫離子方程式；
（3）Ce（BF₄）₃中加入KCl溶液反應(yīng)生成CeCl₃和KBF₄；
（4）根據(jù)題意K₂MnF₆和SbF₅在 423K 的溫度下反應(yīng)KSbF₆、MnF₃、F₂；陰極發(fā)生還原反應(yīng)，由圖可知陰極生成氫氣；氟氣和氫氣能發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)爆炸；
（5）c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，計(jì)算c²（F^-）•c（Ca²⁺），與K_sp（CaF₂）比較可得．

解答 解：（1）根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和為0可知，CeCO₃F中，Ce元素的化合價(jià)為+3價(jià)，
故答案為：+3；
（2）酸浸過程中可用稀硫酸和H₂O₂替換HCl，避免產(chǎn)生Cl₂，不會(huì)造成環(huán)境污染；稀硫酸、H₂O₂與CeO₂反應(yīng)的離子方程式為：H₂O₂+2CeO₂+6H⁺=2Ce³⁺+4H₂O+O₂↑；
故答案為：避免產(chǎn)生Cl₂，不會(huì)造成環(huán)境污染；H₂O₂+2CeO₂+6H⁺=2Ce³⁺+4H₂O+O₂↑；
（3）Ce（BF₄）₃中加入KCl溶液反應(yīng)生成CeCl₃和KBF₄，離子反應(yīng)為：Ce（BF₄）₃+3K⁺═3KBF₄+Ce³⁺；
故答案為：Ce（BF₄）₃+3K⁺═3KBF₄+Ce³⁺；
（4）根據(jù)題意K₂MnF₆和SbF₅在 423K 的溫度下反應(yīng)KSbF₆、MnF₃、F₂，反應(yīng)為：2K₂MnF₆+4SbF₅$\frac{\underline{\;423K\;}}{\;}$4KSbF₆+2MnF₃+F₂↑；電解熔融的氟氫化鉀（KHF₂）和氟化氫（HF）混合物制備氟單質(zhì)，由圖可知，陰極生成氫氣發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2HF₂^-+2e^-═H₂↑+4F^-；氟氣和氫氣能發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)爆炸，故要用鎳銅合金隔板將兩種氣體產(chǎn)物嚴(yán)格分開；
故答案為：2K₂MnF₆+4SbF₅$\frac{\underline{\;423K\;}}{\;}$4KSbF₆+2MnF₃+F₂↑；2HF₂^-+2e^-═H₂↑+4F^-；氟氣和氫氣能發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)爆炸；
（5）HF的電離平衡常數(shù)K_a=3.6×10^-4，c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L^-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，c²（F^-）•c（Ca²⁺）=3.6×10^-5×0.1=3.6×10^-6＞1.46×10^-10，該體系有CaF₂沉淀；
故答案為：c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L^-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，c²（F^-）•c（Ca²⁺）=3.6×10^-5×0.1=3.6×10^-6＞1.46×10^-10，該體系有CaF₂沉淀．

點(diǎn)評 本題考查了物質(zhì)的制備，涉及對工藝流程的理解、氧化還原反應(yīng)、對條件的控制選擇與理解、電解原理、溶度積的計(jì)算等，理解工藝流程原理是解題的關(guān)鍵，是對學(xué)生綜合能力的考查，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與靈活運(yùn)用能力，題目難度中等．