Question

9．氟及其化合物在生產(chǎn)生活中被廣泛使用，造福人類．
（1）LiPF₆是鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的電解質(zhì)．某工廠用LiF、PCl₅為原料，低溫反應(yīng)制備LiPF₆，其流程如圖1

已知：HCl的沸點(diǎn)是-85.0℃，HF的沸點(diǎn)是19.5℃．
①反應(yīng)設(shè)備不能用玻璃材質(zhì)的原因是SiO₂+4HF=SiF₄↑+2H₂O（用化學(xué)方程式表示）．無水HF有腐蝕性和毒性，工廠安全手冊(cè)提示：如果不小心將HF沾到皮膚上，可立即用2%的NaHCO₃溶液沖洗．
②該流程需在無水條件下進(jìn)行，第③步反應(yīng)中PF₅極易水解，其產(chǎn)物為兩種酸，寫出PF₅水解的化學(xué)方程式：PF₅+4H₂O=H₃PO₄+5HF．
③第④步分離采用的方法是過濾；第⑤步分離尾氣中HF、HCl采用的方法是冷凝．
（2）工業(yè)上制備氟氣通常采用電解氧化法，如圖2是電解熔融的氟氫化鉀（KHF₂）的實(shí)驗(yàn)裝置：
①已知陰極的電極反應(yīng)式為2HF₂^-+2e^-═H₂+4F^-，則電解的總反應(yīng)為2KHF₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$ H₂↑+F₂↑+2KF
②出口1處的物質(zhì)是F₂（填化學(xué)式）．
（3）牙齒表面有一層釉質(zhì)，其組成為羥基磷灰石Ca₅（PO₄）₃OH（K_sp=6.8×10^-21），容易受到酸的侵蝕，研究表明氟磷灰石Ca₅（PO₄）₃F（K_sp=1.0×10^-37）更能抵抗酸的腐蝕．請(qǐng)用平衡移動(dòng)原理解釋為什么人們常使用含氟牙膏防治蛀牙牙齒表面的羥基磷灰石在水中存在平衡：Ca₅（PO₄）₃OH（s）?5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+OH^-（aq），容易因?yàn)樗崾股鲜銎胶庀蛴乙苿?dòng)而被腐蝕；當(dāng)加入氟化物時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成溶解度更小的氟磷灰石：5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+F^- （aq）=Ca₅（PO₄）₃F（s），實(shí)現(xiàn)了羥基磷灰石轉(zhuǎn)化為更耐腐蝕的氟磷灰石，因次使用氟化物能防止蛀牙．

Answer 1

分析 （1）①玻璃的主要成分中含有二氧化硅，能和HF發(fā)生反應(yīng)；HF屬于弱酸，必須用弱堿性溶液來除去；
②根據(jù)元素組成可知，兩種酸分別是H₃PO₄和HF；
③分離液體和不溶于液體固體采用過濾分離，HF分子間含有氫鍵，沸點(diǎn)大于HCl，可采用冷凝法分離；
（2）①陰極的電極反應(yīng)式為2HF₂^-+2e^-═H+4F^-，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)^-失去電子生成F₂，整個(gè)過程生成H₂、F₂、KF；
②鋼電解應(yīng)為陰極，碳為陽極，陽極生成氣體為氟氣；
（3）根據(jù)沉淀溶解平衡移動(dòng)分析．

解答 解：（1）①玻璃的主要成分中含有二氧化硅，能和HF發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)方程式為SiO₂+4HF═SiF₄↑+2H₂O；HF屬于弱酸，必須用弱堿性溶液來除去（比如2%的NaHCO₃溶液）；
故答案為：SiO₂+4HF═SiF₄↑+2H₂O；NaHCO₃；
②根據(jù)題目中的信息“PF5極易水解，其產(chǎn)物為兩種酸”，則根據(jù)元素組成可知，兩種酸分別是H3PO4和HF，所以反應(yīng)的方程式為PF₅+4H₂O═H₃PO₄+5HF，
故答案為：PF₅+4H₂O═H₃PO₄+5HF；
③第④步分離的是固體（LiPF₄（s））和液體（HF（l）），所以采用過濾的方法；分離尾氣中HF、HCl，可以利用二者沸點(diǎn)的差異（HF分子之間存在氫鍵）進(jìn)行分離，所以采用冷凝法，
故答案為：過濾；冷凝；
（2）①陰極的電極反應(yīng)式為2HF₂^-+2e^-═H+4F^-，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，F(xiàn)^-失去電子生成F₂，整個(gè)過程生成H₂、F₂、KF，電解總反應(yīng)式為 2KHF₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+F₂↑+2KF，故答案為：2KHF₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+F₂↑+2KF；
②鋼電解應(yīng)為陰極，碳為陽極，陽極生成氣體為氟氣，故出口1處的物質(zhì)為F₂，
故答案為：F₂；
（3）牙齒表面有一層釉質(zhì)，其組成為羥基磷灰石Ca₅（PO₄）₃OH（K_sp=6.8×10^-21），羥基磷灰石在水中存在平衡：Ca₅（PO₄）₃OH（s）?5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+OH^-（aq），因?yàn)樗崾股鲜銎胶庀蛴乙苿?dòng)而被腐蝕，當(dāng)加入氟化物時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成溶解度更小的氟磷灰石：5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+F^- （aq）=Ca₅（PO₄）₃F（s），實(shí)現(xiàn)了羥基磷灰石轉(zhuǎn)化為更耐腐蝕的氟磷灰石，因次使用氟化物能防止蛀牙；
故答案為：牙齒表面的羥基磷灰石在水中存在平衡：Ca₅（PO₄）₃OH（s）?5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+OH^-（aq），因?yàn)樗崾股鲜銎胶庀蛴乙苿?dòng)而被腐蝕；當(dāng)加入氟化物時(shí)發(fā)生反應(yīng)生成溶解度更小的氟磷灰石：5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+F^- （aq）=Ca₅（PO₄）₃F（s），實(shí)現(xiàn)了羥基磷灰石轉(zhuǎn)化為更耐腐蝕的氟磷灰石，因次使用氟化物能防止蛀牙．

點(diǎn)評(píng) 本題為無機(jī)化學(xué)流程題，該題是高考中的常見題型，屬于中等難度的試題．試題綜合性強(qiáng)，涉及流程分析、分離提純、方程式書寫、沉淀的轉(zhuǎn)化等知識(shí)，注意題干所給信息的使用，側(cè)重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和解題方法的指導(dǎo)，有助于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)能力．