Question

6．重铬酸钠（Na₂Cr₂O₇•2H₂O）是重要的化工原料，在化学工业和制药工业中常用作氧化剂．可用一种铬铁矿（主要成分：FeO•Cr₂O₃，还含有少量的Al₂O₃）通过以下流程来制取重铬酸钠如图1．

回答下列问题：
（1）写出Cr元素基态原子的外围电子排布式3d⁵4s¹．
（2）步骤I中反应的化学方程式为：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），反应中被氧化的元素是Fe、Cr，生成2mol Fe₂O₃时转移电子的物质的量为28mol．
（3）步骤II中加入NaOH溶液时发生的化学反应方程式为2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O．
（4）+3、+6价铬都有很强的毒性，+6价铬的毒性更高，可诱发肺癌和鼻咽癌．工业上常用电解法来处理含Cr₂O₇^2-的废水，电解装置模拟示意图如图2（电极材料为铁和石墨）．通电后，Cr₂O₇^2-在b极附近转变为Cr³⁺，一段时间后Cr³⁺最终可在a极附近变成Cr（OH）₃沉淀而被除去．a电极的电极材料是石墨，b电极附近生成Cr³⁺的反应的离子方程式是Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O．
（5）将含Cr₂O₃为50%的铬铁矿30.4kg，按上述流程制取产品Na₂Cr₂O₇•2H₂O，假设整个流程中铬元素的利用率为80%，则最终能制得Na₂Cr₂O₇•2H₂O23.84kg．

Answer 1

分析 工业铬铁矿（FeO•Cr₂O₃，含少量Al₂O₃和SiO₂），首先是加入碳酸钠煅烧，FeO•Cr₂O₃和碳酸钠在一起作用下发生氧化还原反应，化学方程式为：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），生成氧化铁，铬酸钠和二氧化碳，加入氢氧化钠，2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O，除去氧化铝，将溶液的pH调至7～8并煮沸，NaAlO₂等杂质可以以沉淀的形式除去，水浸过滤后得到Na₂CrO₄溶液，加入硫酸酸化反应为：2Na₂CrO₄+H₂SO₄?Na₂SO₄+Na₂Cr₂O₇+H₂O，通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到晶体，铬渣为Na₂SO₄．
（1）Cr元素为24号元素，原子核外有24个电子，根据核外电子排布规律书写，价电子排布式为外围电子排布式；
（2）化学反应中有化合价升降的反应是氧化还原反应，还原剂是在反应中所含元素化合价升高的反应物，还原剂中化合价升高的元素被氧化，依据化学方程式4FeO•Cr₂O₃+8Na₂CO₃+7O₂=2Fe₂O₃+8Na₂CrO₄+8CO₂，分析反应过程中元素化合价变化，计算电子转移总数得到；
（3）步骤II中加入NaOH溶液时氧化铝和氢氧化钠反应生成溶于水的偏氯酸钠和水，以便通过调PH以沉淀形式除去；
（4）a连接电源负极，所以a为阴极，连接石墨；b连接电源正极，所以b为电解槽的阳极；阳极铁发生氧化反应；
（5）根据铬元素守恒分析计算．

解答 解：（1）Cr元素为24号元素，原子核外有24个电子，所以核外电子排布式为：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹，它的外围电子排布式是3d⁵4s¹，
故答案为：3d⁵4s¹；
（2）步骤I中反应的化学方程式为：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），元素的化合价变化为：4个Fe由+2→+3，8个Cr由+3→+6，28个O由0→-2，转移28e^-，化合价升高的元素被氧化，所以反应中被氧化的元素是Fe、Cr（或铁、铬），生成2mol Fe₂O₃时转移电子的物质的量为28mol，
故答案为：Fe、Cr（或铁、铬）；28；
（3）步骤II中加入NaOH溶液时氧化铝和氢氧化钠反应：2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O，除去氧化铝，将溶液的pH调至7～8并煮沸，NaAlO₂等杂质可以以沉淀的形式除去，水浸过滤后得到Na₂CrO₄溶液，
故答案为：2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O；
（4）根据电解槽图示可知，a为阴极，a电极的电极材料是石墨，溶液显示酸性，溶液中氢离子得到电子，发生还原反应，电极反应为：2H⁺+2e^-=H₂↑，b为阳极，铁失去电子生成亚铁离子，亚铁离子被Cr₂O₇^2-氧化成铁离子，反应的方程式为：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，
故答案为：石墨；Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；
（5）含Cr₂O₃为50%的铬铁矿30.4kg，含Cr₂O₃质量为30.4×10⁶×50%g，流程中铬元素的利用率为80%，根据铬元素守恒，则最终能制得Na₂Cr₂O₇•2H₂O：$\frac{30.4×1{0}^{6}×50%g}{152g/mol}×2×298g/mol$×80%=23.84kg，
故答案为：23.84．

点评 本题考查了重铬酸钠制备的流程分析判断，物质性质和实验操作的分析应用，掌握电解原理、氧化还原反应原理、物质的分离提纯方法是解题关键，题目难度中等，侧重于考查学生的实验能力、分析问题、解决问题的能力．