Question

20．工业上利用氟碳铈矿（主要成分CeCO₃F）提取CeCl₃的一种工艺流程如图：

请回答下列问题：
（1）CeCO₃F中，Ce元素的化合价为+3．
（2）酸浸过程中可用稀硫酸和H₂O₂替换HCl，优点为避免产生Cl₂，不会造成环境污染；写出稀硫酸、H₂O₂与CeO₂反应的离子方程式：H₂O₂+2CeO₂+6H⁺=2Ce³⁺+4H₂O+O₂↑
（3）写出Ce（BF₄）₃中加入KCl溶液反应的离子方程式：Ce（BF₄）₃+3K⁺═3KBF₄+Ce³⁺
（4）化学家研究发现，SbF₅转化成稳定离子[SbF₆]^-的盐反应得到，SbF₅转化成稳定离子[SbF₆]^-的盐．而SbF₄很不稳定，受热易分解为SbF₃和F₂．根据据以上研究写出以K₂MnF₆和SbF₅为原料，在 423K 的温度下制备F₂的化学方程式：2K₂MnF₆+4SbF₅$\frac{\underline{\;423K\;}}{\;}$4KSbF₆+2MnF₃+F₂↑．
现代工业以电解熔融的氟氢化钾（KHF₂）和氟化氢（HF）混合物制备氟单质，电解制氟装置如图所示． 已知KHF₂是一种酸式盐，写出阴极上发生的电极反应式2HF₂^-+2e^-═H₂↑+4F^-．电解制氟时，要用镍铜合金隔板将两种气体产物严格分开的原因是氟气和氢气能发生剧烈反应，引发爆炸．

（5）已知25℃时，HF的电离平衡常数K_a=3.6×10^-4，CaF₂的溶解积常数K_sp（CaF₂）=1.46×10^-10．现向1L 0.2mol/L HF溶液中加入 1L 0.2mol/L CaCl₂ 溶液，通过列式计算说明是否有沉淀产生：c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L^-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，c²（F^-）•c（Ca²⁺）=3.6×10^-5×0.1=3.6×10^-6＞1.46×10^-10，该体系有CaF₂沉淀．

Answer 1

分析 由氟碳铈矿（主要成分CeCO₃F）提取CeCl₃的工艺流程，CeCO₃F焙烧得CeO₂、CeF₄，用盐酸和硼酸酸浸，过滤得沉淀Ce（BF）₄和CeCl₃滤液，Ce（BF）₄与氯化钾溶液反应得到CeCl₃和KBF₄，CeCl₃与前面滤液中CeCl₃的合并再加氢氧化钠，得Ce（OH）₃沉淀，Ce（OH）₃沉淀与盐酸反应可得CeCl₃•6H₂O，加热CeCl₃•6H₂O和NH₄Cl的固体混合物可得到无水CeCl₃，
（1）根据化合价代数和为0判断；
（2）用稀硫酸和H₂O₂替换HCl不会造成环境污染；在酸性条件下H₂O₂能还原CeO₂生成Ce³⁺，根据元素守恒和电荷守恒书写离子方程式；
（3）Ce（BF₄）₃中加入KCl溶液反应生成CeCl₃和KBF₄；
（4）根据题意K₂MnF₆和SbF₅在 423K 的温度下反应KSbF₆、MnF₃、F₂；阴极发生还原反应，由图可知阴极生成氢气；氟气和氢气能发生剧烈反应，引发爆炸；
（5）c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，计算c²（F^-）•c（Ca²⁺），与K_sp（CaF₂）比较可得．

解答 解：（1）根据化合价代数和为0可知，CeCO₃F中，Ce元素的化合价为+3价，
故答案为：+3；
（2）酸浸过程中可用稀硫酸和H₂O₂替换HCl，避免产生Cl₂，不会造成环境污染；稀硫酸、H₂O₂与CeO₂反应的离子方程式为：H₂O₂+2CeO₂+6H⁺=2Ce³⁺+4H₂O+O₂↑；
故答案为：避免产生Cl₂，不会造成环境污染；H₂O₂+2CeO₂+6H⁺=2Ce³⁺+4H₂O+O₂↑；
（3）Ce（BF₄）₃中加入KCl溶液反应生成CeCl₃和KBF₄，离子反应为：Ce（BF₄）₃+3K⁺═3KBF₄+Ce³⁺；
故答案为：Ce（BF₄）₃+3K⁺═3KBF₄+Ce³⁺；
（4）根据题意K₂MnF₆和SbF₅在 423K 的温度下反应KSbF₆、MnF₃、F₂，反应为：2K₂MnF₆+4SbF₅$\frac{\underline{\;423K\;}}{\;}$4KSbF₆+2MnF₃+F₂↑；电解熔融的氟氢化钾（KHF₂）和氟化氢（HF）混合物制备氟单质，由图可知，阴极生成氢气发生还原反应，电极反应式为：2HF₂^-+2e^-═H₂↑+4F^-；氟气和氢气能发生剧烈反应，引发爆炸，故要用镍铜合金隔板将两种气体产物严格分开；
故答案为：2K₂MnF₆+4SbF₅$\frac{\underline{\;423K\;}}{\;}$4KSbF₆+2MnF₃+F₂↑；2HF₂^-+2e^-═H₂↑+4F^-；氟气和氢气能发生剧烈反应，引发爆炸；
（5）HF的电离平衡常数K_a=3.6×10^-4，c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L^-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，c²（F^-）•c（Ca²⁺）=3.6×10^-5×0.1=3.6×10^-6＞1.46×10^-10，该体系有CaF₂沉淀；
故答案为：c（H⁺）=c（F^-）=$\sqrt{3.6×10-4×0.1}$mol•L^-1=6×10^-3mol•L^-1，c（Ca²⁺）=0.1mol•L^-1，c²（F^-）•c（Ca²⁺）=3.6×10^-5×0.1=3.6×10^-6＞1.46×10^-10，该体系有CaF₂沉淀．

点评 本题考查了物质的制备，涉及对工艺流程的理解、氧化还原反应、对条件的控制选择与理解、电解原理、溶度积的计算等，理解工艺流程原理是解题的关键，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力，题目难度中等．