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【题目】元素铈(Ce)是一种重要的稀土元素。

(1) 工业上用氟碳铈矿(主要成分为CeFCO3)制备CeO2。焙烧过程中发生的主要反应的化学方程式为________

(2) 已知CeCl3·7H2O在空气中易被氧化成四价铈,反应如下:

CeCl3·7H2O(s)=CeCl3(s)7H2O(g)ΔH1a kJ·mol1

4CeCl3(s)O2(g)14H2O(g)=4Ce(OH)4(s)12HCl(g)ΔH2b kJ·mol1

Ce(OH)4(s)=CeO2(s)2H2O(g)ΔH3c kJ·mol1

4CeCl3·7H2O(s)O2(g)=4CeO2(s)12HCl(g)22H2O(g)ΔH________

(3) CeO2是汽车尾气净化催化剂中最重要的助剂,工作原理如图1所示。写出过程1发生反应的化学方程式:________________________________

(4) 已知Ce(OH)4极易分解,用如图2所示装置电解CeCl3溶液在阴极区制得CeO2。电解过程中反应体系的pH随时间t的变化曲线如图3所示。

①电解进行1h内溶液的pH迅速下降,可能原因是________

②请解释生成CeO2的原理:________

(5) 常温下,当溶液中某离子浓度≤1.0×105时,可认为该离子沉淀完全。用Na2C2O4溶液对电解后的废液处理得到Ce2(C2O4)3固体,则应保持溶液中c(C2O42)约为________(已知25 ℃时,Ksp[Ce2(C2O4)3]1.0×1025)

【答案】4CeFCO34NaHCO3O2 4NaF4CeO28CO22H2O (4ab4c) kJ·mol1 xCOCeO2=CeO(2x)xCO2 产生的Cl2发生反应Cl2H2OHClHClO。由于生成了HCl,使反应体系的pH迅速下降 阳极电解产生的Cl2Ce3氧化成Ce4。同时与阴极电解产生OH离子反应生成Ce(OH)4,然后再分解生成CeO2[或者Ce3与阴极电解产生的OH反应生成Ce(OH)3Ce(OH)3再被阳极电解产生的Cl2氧化成Ce(OH)4,然后再分解生成CeO2] 1.0×105 mol·L1

【解析】

(1)焙烧过程中,CeFCO3和加入的NaHCO3反应转化生成CeO2和二氧化碳,焙烧过程O2参加反应,根据物料守恒和得失电子守恒写出主要反应的方程式;

(2)利用盖斯定律,分析计算目标反应焓变;

(3)过程1中,CeO2和一氧化碳反应生成二氧化碳CeO(2-x),据此书写方程式;

(4)根据电解过程中阴阳极电极上的产物分析;

(5)利用溶度积常数计算公式进行计算。

(1)焙烧过程中,CeFCO3和加入的NaHCO3反应转化生成CeO2和二氧化碳,焙烧过程O2参加反应,根据物料守恒和得失电子守恒,主要反应的方程式为:4CeFCO34NaHCO3O2 4NaF4CeO28CO22H2O

(2)已知:①CeCl3·7H2O(s)=CeCl3(s)7H2O(g)ΔH1a kJ·mol1

4CeCl3(s)O2(g)14H2O(g)=4Ce(OH)4(s)12HCl(g)ΔH2b kJ·mol1

Ce(OH)4(s)=CeO2(s)2H2O(g)ΔH3c kJ·mol1

则根据盖斯定律:①×4++×4,可得4CeCl3·7H2O(s)O2(g)=4CeO2(s)12HCl(g)22H2O(g)ΔH(4ab4c) kJ·mol1

(3)根据图1所示,过程1CeO2和一氧化碳反应生成二氧化碳CeO(2-x),根据物料守恒,化学反应方程式为:xCOCeO2=CeO(2x)xCO2

(4) ①如图2所示装置,电解CeCl3溶液,阳极上电解质溶液中氯离子失电子发生氧化反应,电极反应式为:2Cl--2e-=Cl2,产生的Cl2与电解液中的水反应生成盐酸和次氯酸,反应方程式为:Cl2+H2OHCl+HClO,使电解质溶液酸性增强,pH减小;

②电解CeCl3溶液在阴极区制得CeO2,电解过程中,Ce的化合价升高,被氧化,结合(4)中分析,阳极电解产生的Cl2Ce3氧化成Ce4。同时与阴极电解产生OH离子反应生成Ce(OH)4,结合已知信息,Ce(OH)4极易分解,生成CeO2[或者Ce3与阴极电解产生的OH反应生成Ce(OH)3Ce(OH)3再被阳极电解产生的Cl2氧化成Ce(OH)4,然后再分解生成CeO2]

(5) 当溶液中某离子浓度≤1.0×105时,可认为该离子沉淀完全,则Ce3完全沉淀时,溶液中c(Ce3)= 1.0×105mol/LKsp[Ce2(C2O4)3]c2(Ce3) c3(C2O42)=1.0×1025,则c(C2O42)== 1.0×105 mol·L1

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