题目内容

3.美国麻省理工学院(MIT)近年来设计出镁锑液态金属电池,其工作原理如图1所示,负极金属失去电子,并通过外电路做功,而负极金属离子化后通过熔盐迁移到正极并与正极金属合金化;充电则执行相反的过程.

(1)写出电池放电时的正极反应式为Mg2++2e-=Mg.
(2)我国锑的蕴藏量占世界第一位,辉锑矿(Sb2S3)是其主要矿物.某冶金课题组进行三氯化锑水溶液的电解研究,然后利用电解过程中阳极生成的五氯化锑作为浸出剂,对辉锑矿进行酸性浸出;从而实现浸出-电解的闭路循环,解决了传统炼锑过程中“工业三废”排放量大的问题.流程如图2:
①写出锑元素在周期表中的位 置第五周期第VA族.
②“工业三废”指的是废气、废水(废液)、废渣.
③电解过程中阳极主要是Sb3+被氧化成Sb5+.请写出阴极的电极反应式Sb3++3e-=Sb.
④根据流程图写出“浸出”步骤发生反应的化学方程式Sb2S3+3SbCl5=5SbCl3+3S.
⑤已知浸出液中除Sb3+外,还有Cu2+、Pb2+等重金属离子,其中c(Cu2+)=1.6×10-3mol•L-1,向浸出液中加入硫化钠至溶液中的Cu2+刚好完全沉淀,则c(S2-)=8×10-40.(已知Ksp(CuS)=8×10-45  Ksp(PbS)=3.4×10-28)
⑥还原除砷的原理是:在大于4mol•L-1的HCl溶液中,以次磷酸钠(Na3PO2)做还原剂,保持微沸温度,使AsCl3被还原为棕色单质砷沉淀,请配平该反应的化学方程式:
2AsCl3+3Na3PO2+3HCl+3H2O=2As↓+3H3PO3+9NaCl.

分析 (1)金属离子化后通过熔盐迁移到正极并与正极金属合金化,说明负极失电子生成的金属离子在正极得电子生成金属单质;
(2)①锑元素属于第五周期第ⅤA族;
②工业三废包括废气、废水(废液)、废渣;
③从流程图中可以看出阳极产物为SbCl5,而电解完成后产生金属锑,应为Sb3+离子在阴极得电子生成;
④根据流程图看出“浸出”步骤辉锑矿与阳极产物SbCl5反应产生不溶物,SbCl5具有氧化性,Sb2S3具有还原性,发生氧化还原反应,在浸出液中含有硫单质,所以氧化产物中有硫;
⑤Cu2+刚好完全沉淀时c(Cu2+)=1×10-5,根据Ksp(CuS)=c(Cu2+)×c(S2-)=8×10-45计算出c(S2-);
⑥该反应中AsCl3为氧化剂,被还原为As单质;Na3PO2为还原剂,被氧化为H3PO3;HCl显酸性,提供酸性环境,根据得失电子守恒配平.

解答 解:(1)负极失电子生成的金属离子在正极得电子生成金属单质,负极金属为镁,故正极电极反应式为Mg2++2e-=Mg;
故答案为:Mg2++2e-=Mg;
(2)①锑元素属于氮族元素,位于周期表中第五周期第ⅤA族;
故答案为:第五周期第VA族;
②工业三废包括废气、废水(废液)、废渣;
故答案为:废气、废水(废液)、废渣;
③从流程图中可以看出阳极产物为SbCl5,而电解完成后产生金属锑,故阴极反应式为Sb3++3e-=Sb;
故答案为:Sb3++3e-=Sb;
④在浸出步骤中具有氧化性的SbCl5和具有还原性的Sb2S3发生氧化还原反应生成不溶性的S单质和SbCl3,故反应方程式为Sb2S3+3SbCl5=5SbCl3+3S;
故答案为:Sb2S3+3SbCl5=5SbCl3+3S;
⑤Cu2+刚好完全沉淀时c(Cu2+)=1×10-5,由Ksp(CuS)=c(Cu2+)×c(S2-),知c(S2-)=$\frac{Ksp(CuS)}{c(S{\;}^{2-})}$=$\frac{8×10{\;}^{-45}}{1×10{\;}^{-5}}$=8×10-40;
故答案为:8×10-40;
⑥次磷酸钠(Na3PO2)做还原剂,被氧化为H3PO3,P元素由+1价变为+3价,价态升高2;AsCl3被还原为As单质,As元素由+3价变为0价,价态降低3,所以AsCl3和Na3PO2系数为2:3,根据元素守恒配平化学反应方程式为2AsCl3+3Na3PO2+3HCl+3H2O=2As↓+3H3PO3+9NaCl.
故答案为:2;3;3;3;2;3;9.

点评 本题考查了原电池和电解池的工作原理及应用,物质分离和提纯的方法和基本操作应用等内容,看准流程图是解题的关键,题目难度中等.

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