Question

2．硼酸（H₃BO₃，一元弱酸）在工業(yè)上應(yīng)用廣泛．用硼鎂礦（含MgO、B₂O₃、SiO₂及水）制備硼酸及BCl₃、VB₂（二硼化釩）等副產(chǎn)品的流程如下：

已知：（1）浸取過程中發(fā)生反應(yīng)：2MgO+2B₂O₃+2NH₄HCO₃+H₂O═2NH₄H₂BO₃+2MgCO₃↓
（2）硼的性質(zhì)與鋁相似，既能與鹽酸反應(yīng)，也能與NaOH溶液反應(yīng)回答下列問題：
（1）充分浸取后過濾，所得濾渣的主要成分是SiO₂、MgCO₃．浸取過程中溫度過高，會(huì)使浸取率降低，原因是溫度過高會(huì)使加入的NH₄HCO₃分解．
（2）上述流程中生成金屬鎂的化學(xué)方程式MgCl₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Mg+Cl₂↑．
（3）上述流程中制取硼的化學(xué)方程式是B₂O₃+3Mg $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ 3MgO+2B．證明粗硼中含有少量鎂的化學(xué)方法是向粗硼中加入足量NaOH溶液，充分反應(yīng)后固體未完全溶解．
（4）在高溫下，用氫氣還原B₂O₃制得高純度硼．
已知：25℃、101kp_a時(shí)，
4B（s）+3O₂（g）═2B₂O₃（s）△H=-2520kJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
H₂（g） 還原B₂O₃（s）生成B（s） 和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式是3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）△H=+402kJ/mol．
（5）VB₂-空氣電池是目前儲(chǔ)電能力最高的電池．以VB₂-空氣電池為電源，用惰性電極電解硫酸銅溶液如圖所示，該電池工作時(shí)的反應(yīng)為：4VB₂+11O₂═4B₂O₃+2V₂O₅．VB₂極發(fā)生的電極反應(yīng)為2 VB₂+22 OH^--22e^-=V₂O₅+2B₂O₃+11 H₂O．
當(dāng)外電路中通過0.04mol電子時(shí)，B裝置內(nèi)共收集到0.448L氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況），若B裝置內(nèi)的液體體積為200mL（電解前后溶液體積不變），則電解前CuSO₄溶液的物質(zhì)的量濃度為0.05mol/L．
（6）用200t含20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）B₂O₃的硼鎂礦經(jīng)過上述流程，若浸出率為69.6%，由浸出液制取硼酸的過程中硼元素的損失率為10%，可制得44496kg硼酸（提示：B₂O₃、H₃BO₃的摩爾質(zhì)量分別為69.6、61.8g/mol）．

Answer 1

分析 浸取過程中發(fā)生反應(yīng)：2MgO+2B₂O₃+2NH₄HCO₃+H₂O═2NH₄H₂BO₃+2MgCO₃↓，SiO₂不反應(yīng)，過濾分離，濾渣含有SiO₂、MgCO₃，利用水解原理進(jìn)行蒸氨，得到氨氣循環(huán)利用，經(jīng)過蒸發(fā)、結(jié)晶、過濾、洗滌得到硼酸，加熱分解得到B₂O₃．濾渣用濃鹽酸溶解，SiO₂不反應(yīng)，碳酸鎂與鹽酸反應(yīng)，過濾分離得到氯化鎂溶液，經(jīng)過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得到氯化鎂晶體，電解熔融的氯化鎂得到Mg，Mg與B₂O₃發(fā)生置換反應(yīng)得到B．
（1）充分浸取后過濾，所得濾渣的主要成分是：SiO₂、MgCO₃；浸取過程中溫度過高，碳酸氫銨會(huì)分解；
（2）電解熔融的氯化鎂生成金屬鎂，還生成氯氣；
（3）Mg與B₂O₃發(fā)生置換反應(yīng)得到B，還生成MgO；硼的性質(zhì)與鋁相似，能與NaOH溶液反應(yīng)，而Mg與氫氧化鈉不反應(yīng)；
（4）已知：①4B（s）+3O₂（g）═2B₂O₃（s）△H=-2520kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，②×$\frac{3}{2}$-①×$\frac{1}{2}$-③×3可得：3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）；
（5）該電池工作時(shí)的反應(yīng)為：4VB₂+11O₂═4B₂O₃+2V₂O₅，堿性條件下，VB₂極發(fā)生氧化反應(yīng)反應(yīng)得到B₂O₃、V₂O₅，有氫氧根離子參與反應(yīng)，同時(shí)有水生成；
B裝置為電解池，陽極生成氧氣，陰極首先寫成Cu，銅離子放電完畢，氫離子放電生成氫氣，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算生成氧氣的物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算生成氫氣物質(zhì)的量，再根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算電解前CuSO₄的物質(zhì)的量；
（6）根據(jù)B元素守恒可得：B₂O₃～2H₃BO₃，將浸出率、損失率均轉(zhuǎn)化為B₂O₃的利用率，結(jié)合關(guān)系式計(jì)算．

解答 解：浸取過程中發(fā)生反應(yīng)：2MgO+2B₂O₃+2NH₄HCO₃+H₂O═2NH₄H₂BO₃+2MgCO₃↓，SiO₂不反應(yīng)，過濾分離，濾渣含有SiO₂、MgCO₃，利用水解原理進(jìn)行蒸氨，得到氨氣循環(huán)利用，經(jīng)過蒸發(fā)、結(jié)晶、過濾、洗滌得到硼酸，加熱分解得到B₂O₃．濾渣用濃鹽酸溶解，SiO₂不反應(yīng)，碳酸鎂與鹽酸反應(yīng)，過濾分離得到氯化鎂溶液，經(jīng)過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥得到氯化鎂晶體，電解熔融的氯化鎂得到Mg，Mg與B₂O₃發(fā)生置換反應(yīng)得到B．
（1）充分浸取后過濾，所得濾渣的主要成分是：SiO₂、MgCO₃；浸取過程中溫度過高，會(huì)使加入的NH₄HCO₃分解，導(dǎo)致浸取率降低，
故答案為：SiO₂、MgCO₃；溫度過高會(huì)使加入的NH₄HCO₃分解；
（2）電解熔融的氯化鎂生成金屬鎂，還生成氯氣，反應(yīng)方程式為：MgCl₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Mg+Cl₂↑，
故答案為：MgCl₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Mg+Cl₂↑；
（3）Mg與B₂O₃發(fā)生置換反應(yīng)得到B，還生成MgO，反應(yīng)方程式為：B₂O₃+3Mg $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ 3MgO+2B，硼的性質(zhì)與鋁相似，能與NaOH溶液反應(yīng)，而Mg與氫氧化鈉不反應(yīng)，證明粗硼中含有少量鎂的化學(xué)方法是：向粗硼中加入足量NaOH溶液，充分反應(yīng)后固體未完全溶解，
故答案為：B₂O₃+3Mg $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ 3MgO+2B；向粗硼中加入足量NaOH溶液，充分反應(yīng)后固體未完全溶解；
（4）已知：①4B（s）+3O₂（g）═2B₂O₃（s）△H=-2520kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，②×$\frac{3}{2}$-①×$\frac{1}{2}$-③×3可得：3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）△H=+402kJ/mol，
故答案為：3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）△H=+402kJ/mol；
（5）該電池工作時(shí)的反應(yīng)為：4VB₂+11O₂═4B₂O₃+2V₂O₅，堿性條件下，VB₂極發(fā)生氧化反應(yīng)反應(yīng)得到B₂O₃、V₂O₅，有氫氧根離子參與反應(yīng)，同時(shí)有水生成，電極反應(yīng)式為：2 VB₂+22 OH^--22e^-=V₂O₅+2B₂O₃+11 H₂O，
B裝置為電解池，陽極生成氧氣，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒可知氧氣為$\frac{0.04mol}{4}$=0.01mol，生成氣體總物質(zhì)的量為$\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，故生成氫氣為0.01mol，由電子轉(zhuǎn)移守恒，電解前CuSO₄的物質(zhì)的量為$\frac{0.04mol-0.01mol×2}{2}$=0.01mol，故電解前CuSO₄溶液的物質(zhì)的量濃度為$\frac{0.01mol}{0.2L}$=0.05mol/L，
故答案為：2 VB₂+22 OH^--22e^-=V₂O₅+2B₂O₃+11 H₂O；0.05；
（6）設(shè)可制得xkg硼酸，則：
         B₂O₃～～～～～～～～～～～2H₃BO₃
         69.6                   2×61.8
200×10³ kg×20%×69.6%×（1-10%）    x kg
所以69.6：2×61.8=200×10³ kg×20%×69.6%×（1-10%）：x kg
解得x=44496，
故答案為：44496．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)制備工藝流程、熱化學(xué)方程式書寫、電解原理、利用關(guān)系式進(jìn)行的有關(guān)計(jì)算等，題目素材比較陌生，增大題目難度，較好地考查學(xué)生分析解決問題的能力、知識(shí)遷移運(yùn)用能力．