Question

16．鈰元素（Ce）是鑭系金屬中自然豐度最高的一種，常見有+3、+4兩種價態(tài)，鈰的合金耐高溫，可以用來制造噴氣推進器零件．
請回答下列問題：
（1）霧霾中含有大量的污染物NO，可以被含Ce⁴⁺的溶液吸收，生成NO₂^-、NO₃^-（二者物質的量之比為1：1），該反應氧化劑與還原劑的物質的量之比為2：1．
（2）可采用電解法將上述吸收液中的NO₂^-轉化為無毒物質，同時再生Ce⁴⁺，其原理如圖1所示．

①Ce⁴⁺從電解槽的a（填字母序號）口流出．
②寫出陰極的電極反應式2NO₂^-+8H⁺+6e^-=N₂↑+4H₂O．
（3）鈰元素在自然界中主要以氟碳礦形式存在．主要化學成分為CeFCO₃．工業(yè)上利用氟碳鈰礦提取CeCl₃的一種工藝流程如圖2：
①焙燒過程中發(fā)生的主要反應方程式為4CeFCO₃+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CeO₂+CeF₄+4CO₂．
②有同學認為酸浸過程中用稀硫酸和H₂O₂替換鹽酸更好，他的理由是不釋放氯氣，減少對環(huán)境的污染．
③Ce（BF₄）₃、KBF₄的K_sp分別為a、b，則Ce（BF₄）₃（s）+3KCl（aq）?3KBF₄（s）+CeCl₃（aq）平衡常數(shù)為$\frac{a}{^{3}}$（用a、b的代數(shù)式表示）．
④加熱CeCl₃•6H₂O和NH₄Cl的固體混合物可得固體無水CeCl₃，其中NH₄Cl的作用是NH₄Cl固體分解產(chǎn)生的HCl可以抑制CeCl₃的水解．

Answer 1

分析 （1）NO可以被含Ce⁴⁺的溶液吸收，生成NO₂^-、NO₃^-，反應過程中N化合價升高，Ce化合價則降低，氧化劑為Ce⁴⁺，還原劑為NO；
（2）①采用電解法將NO₂^-轉化為無毒物質，同時再生Ce⁴⁺，過程中Ce化合價升高，為失電子反應，電解池中陽極處的反應為失電子反應；
②電解池陰極發(fā)生的反應為物質得到電子，發(fā)生還原反應，根據(jù)裝置圖，H⁺到陰極參加反應，電解將NO₂^-轉化為無毒物質，可判斷為N₂，據(jù)此寫出電極反應；
（3）①焙燒過程中，CeFCO₃轉化生成CeO₂和CeF₄，焙燒過程O₂參加反應，據(jù)此寫出主要反應的方程式；
②有同學認為酸浸過程中用稀硫酸和H₂O₂替換鹽酸更好，主要是考慮到HCl可能反應會產(chǎn)生Cl₂，Cl₂有的污染環(huán)境，采用H₂O₂是綠色氧化劑，不污染環(huán)境；
③根據(jù)溶度積常數(shù)和多重平衡規(guī)則計算反應的化學平衡常數(shù)；
④加熱CeCl₃•6H₂O和NH₄Cl的固體混合物可得固體無水CeCl₃，考慮到Ce是鑭系重金屬，重金屬離子會水解，NH4Cl的作用是調(diào)控溶液為酸性，抑制CeCl₃的水解．

解答 解：（1）NO可以被含Ce⁴⁺的溶液吸收，生成NO₂^-、NO₃^-，反應過程中N化合價升高，Ce化合價則降低，氧化劑為Ce⁴⁺，還原劑為NO，生成NO₂^-、NO₃^-（二者物質的量之比為1：1），根據(jù)電子得失守恒，n（Ce⁴⁺）=n（NO₂^-）+3n（NO₃^-），根據(jù)元素守恒，n（NO）=n（NO₃^-）+n（NO₂^-），且n（NO₂^-）=n（NO₃^-），則氧化劑與還原劑的物質的量之比為n（Ce⁴⁺）：n（NO）=4：2=2：1，
故答案為：2：1；
（2）①采用電解法將NO₂^-轉化為無毒物質，同時再生Ce⁴⁺，過程中Ce化合價升高，為失電子反應，電解池中陽極處的反應為失電子反應，根據(jù)裝置圖，左側為陽極室，所以Ce⁴⁺從電解槽的a處流出，
故答案為：a；
②電解池陰極發(fā)生的反應為物質得到電子，發(fā)生還原反應，根據(jù)裝置圖，H⁺到陰極參加反應，電解將NO₂^-轉化為無毒物質，可判斷為N₂，則陰極的電極反應式：2NO₂^-+8H⁺+6e^-=N₂↑+4H₂O，
故答案為：2NO₂^-+8H⁺+6e^-=N₂↑+4H₂O；
（3）①焙燒過程中，CeFCO₃轉化生成CeO₂和CeF₄，焙燒過程O₂參加反應，為氧化還原反應，則焙燒過程中發(fā)生的主要反應方程式為：4CeFCO₃+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CeO₂+CeF₄+4CO₂，
故答案為：4CeFCO₃+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3CeO₂+CeF₄+4CO₂；
②有同學認為酸浸過程中用稀硫酸和H₂O₂替換鹽酸更好，主要是考慮到HCl可能反應會產(chǎn)生Cl₂，Cl₂有的污染環(huán)境，采用H₂O₂是綠色氧化劑，不污染環(huán)境，
故答案為：不釋放氯氣，減少對環(huán)境的污染；
③反應為：Ce（BF₄）₃（s）+3KCl（aq）?3KBF₄（s）+CeCl₃（aq），
離子方程式為：Ce（BF₄）₃（s）+3K⁺（aq）?3KBF₄（s）+Ce³⁺（aq），
則反應的化學平衡常數(shù)為K=$\frac{c（C{e}^{3+}）}{{c}^{3}（C{l}^{-}）}$，
Ce（BF₄）₃、KBF₄的K_sp分別為a、b，所以K_sp[Ce（BF₄）₃]=c（Ce³⁺）c³（BF₄^-）=a，K_sp（KBF₄）=c（K⁺）c（BF₄^-）=b，
根據(jù)多重平衡規(guī)則，則反應的化學平衡常數(shù)為K=$\frac{c（C{e}^{3+}）}{{c}^{3}（C{l}^{-}）}$=$\frac{c（C{e}^{3+}）}{{c}^{3}（{K}^{+}）}•\frac{{c}^{3}（B{F}_{4}^{-}）}{{c}^{3}（B{F}_{4}^{-}）}$=$\frac{{K}_{sp}[Ce（B{F}_{4}）_{3}]}{{K}_{sp}^{3}（KB{F}_{4}）}$=$\frac{a}{^{3}}$，
故答案為：$\frac{a}{^{3}}$；
④加熱CeCl₃•6H₂O和NH₄Cl的固體混合物可得固體無水CeCl₃，考慮到Ce是鑭系重金屬，重金屬離子會水解，NH4Cl的作用是調(diào)控溶液為酸性，抑制CeCl₃的水解，
故答案為：NH₄Cl固體分解產(chǎn)生的HCl可以抑制CeCl₃的水解．

點評 本題考查了電解原理和氧化還原反應的相關知識，注意氧化還原方程式的書寫和配平，電極反應式的書寫，也涉及到根據(jù)多重平衡規(guī)則計算化學平衡常數(shù)，鹽類水解的知識，屬綜合題型，試題有助于培養(yǎng)綜合運用化學知識的能力，為高頻考點，題目難度中等．值得一提的是，重金屬元素一般價層含有較多的空軌道，易水解．