Question

钇、钪和镧系一起称为稀土元素，稀土元素堪称“工业味精”，对工业和国防有着十分重要的作用．独居石是稀土元素的常见矿物，下图是由独居石（主要成分是钍和镧系元素的磷酸盐）提取镧系元素（以Ln表示）的生产工艺流程：

（1）独居石中镧系元素主要以LnPO₄的形式存在，试写出LnPO₄与浓H₂SO₄反应的化学方程式：

 

；写出Ln₂（HPO₄）₃的溶解平衡表达式：

 

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（2）可选用精密pH试纸测定pH，控制沉淀的分步沉淀，其pH试纸使用的操作过程是：

 

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（3）若在实验室中洗涤所得的Ln₂（HPO₄）₃沉淀的方法是：

 

；怎样证明Ln₂（HPO₄）₃沉淀洗涤已经干净，其操作是：

 

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（4）若直接加热LnCl₃?6H₂O，生成的是LnOCl写出相应反应的化学方程式：

 

；用电解法制取稀土金属Ln时，需要无水氯化物，在干燥的HCl气流中加热LnCl₃?6H₂O，能得到无水LnCl₃，其原因是

 

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Answer 1

考点：物质分离和提纯的方法和基本操作综合应用,化学平衡常数的含义

专题：实验设计题

分析：独居石（主要成分是钍和镧系元素的磷酸盐）与浓硫酸反应生成Ln₂（SO₄）₃和磷酸，过滤出不溶物后第一次用稀氨水中和，然后过滤出含有钪元素的滤渣并得到含有Ln的滤液，再次过滤得到滤渣Ln₂（HPO₄）₃，经过第一步转化Ln₂（HPO₄）₃转化成LnCl₃?6H₂O，在干燥的HCl气流中加热LnCl₃?6H₂O，能得到无水LnCl₃，电解LnCl₃得到Ln，
（1）根据强酸制取弱酸写出LnPO₄与浓H₂SO₄反应的化学方程式；Ln₂（HPO₄）₃为难溶物，与Ln³⁺、HPO₄^2-之间存在沉淀转化平衡，据此写出Ln₂（HPO₄）₃的溶解平衡表达式；
（2）根据实验室中pH试纸的正确使用方法解答；
（3）根据实验室中洗涤沉淀的操作方法分析；没有洗涤干净的滤液中会含有硫酸根离子，根据具有硫酸根离子的方法解答；
（4）根据信息“若直接加热LnCl₃?6H₂O，生成的是LnOCl”及氯化氢的挥发性形成反应的化学方程式；根据盐的水解原理分析“在干燥的HCl气流中加热LnCl₃?6H₂O，能得到无水LnCl₃”的原因．

解答： 解：独居石（主要成分是钍和镧系元素的磷酸盐）与浓硫酸反应生成Ln₂（SO₄）₃和磷酸，过滤出不溶物后第一次用稀氨水中和，然后过滤出含有钪元素的滤渣并得到含有Ln的滤液，再次过滤得到滤渣Ln₂（HPO₄）₃，经过第一步转化Ln₂（HPO₄）₃转化成LnCl₃?6H₂O，在干燥的HCl气流中加热LnCl₃?6H₂O，能得到无水LnCl₃，电解LnCl₃得到Ln，
（1）LnPO₄与浓H₂SO₄反应生成Ln₂（SO₄）₃和磷酸，反应的化学方程式为：2LnPO₄+3H₂SO₄=Ln₂（SO₄）₃+2H₃PO₄；
Ln₂（HPO₄）₃与Ln³⁺、HPO₄^2-之间存在沉淀转化平衡，Ln₂（HPO₄）₃的溶解平衡表达式为：Ln₂（HPO₄）₃（s）?2Ln³⁺（aq）+3HPO₄^2-（aq），
故答案为：2LnPO₄+3H₂SO₄=Ln₂（SO₄）₃+2H₃PO₄（或3LnPO₄+3H₂SO₄=Ln₂（SO₄）₃+Ln（H₂PO₄）₃）；Ln₂（HPO₄）₃（s）?2Ln³⁺（aq）+3HPO₄^2-（aq）；
（2）pH试纸使用的操作方法为：取一小块试纸放在表面皿（玻璃片）上，用沾有待测液的玻璃棒（胶头滴管）点于试纸的中部，半分钟后与标准比色卡比较，确定溶液的pH值，
故答案为：取一小块试纸放在表面皿（玻璃片）上，用沾有待测液的玻璃棒（胶头滴管）点于试纸的中部，半分钟后与标准比色卡比较，确定溶液的pH值；
（3）在实验室中洗涤所得的Ln₂（HPO₄）₃沉淀的方法为：将沉淀置于放置在新制过滤器中，注入蒸馏水至浸没沉淀，待液体滤干，再重复两到三次；
若最后一次的洗涤液中不含硫酸根离子，则已经洗涤干净，操作方法为：取最后一次洗涤浸出液，加入BaCl₂溶液，若有白色沉淀生成，则说明未洗涤干净，若无白色沉淀则说明已洗涤干净，
故答案为：将沉淀置于放置在新制过滤器中，注入蒸馏水至浸没沉淀，待液体滤干，再重复两到三次；取最后一次洗涤浸出液，加入BaCl₂溶液，若有白色沉淀生成，则说明未洗涤干净，若无白色沉淀则说明已洗涤干净；
（4）由于氯化氢具有挥发性，若直接加热LnCl₃?6H₂O，生成的是LnOCl，反应的化学方程式为：LnCl₃?6H₂O

△   .

LnOCl+2HCl+5H₂O；
由于在干燥的HCl气流中，抑制了LnCl₃的水解，且带走LnCl₃?6H₂O受热产生的水气，故能得到无水LnCl₃，
故答案为：LnCl₃?6H₂O

△   .

LnOCl+2HCl+5H₂O；在干燥的HCl气流中，抑制了LnCl₃的水解，且带走LnCl₃?6H₂O受热产生的水气，故能得到无水LnCl₃．

点评：本题考查了物质的制备方法、化学实验基本操作方法及其综合应用，题目难度中等，正确理解制备流程、掌握化学实验基本操作方法为解答关键，注意掌握盐的水解原理及其影响，试题侧重考查学生的分析、理解能力及化学实验基本操作能力．