Question

【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：

① CeCl3·7H2O(s)=CeCl3(s)＋7H2O(g)；ΔH1＝a kJ·mol－1

② 4CeCl3(s)＋O2(g)＋14H2O(g)=4Ce(OH)4(s)＋12HCl(g)；ΔH2＝b kJ·mol－1

③ Ce(OH)4(s)=CeO2(s)＋2H2O(g)；ΔH3＝c kJ·mol－1

则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≤1.0×10－5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]＝1.0×10－25)

Answer 1

【答案】4CeFCO3＋4NaHCO3＋O2 4NaF＋4CeO2＋8CO2＋2H2O (4a＋b＋4c) kJ·mol－1 xCO＋CeO2=CeO(2－x)＋xCO2 产生的Cl2发生反应Cl2＋H2OHCl＋HClO。由于生成了HCl，使反应体系的pH迅速下降 阳极电解产生的Cl2把Ce3＋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)3，Ce(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] 1.0×10－5 mol·L－1

【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：4CeFCO3＋4NaHCO3＋O2 4NaF＋4CeO2＋8CO2＋2H2O；

(2)已知：①CeCl3·7H2O(s)=CeCl3(s)＋7H2O(g)；ΔH1＝a kJ·mol－1

②4CeCl3(s)＋O2(g)＋14H2O(g)=4Ce(OH)4(s)＋12HCl(g)；ΔH2＝b kJ·mol－1

③Ce(OH)4(s)=CeO2(s)＋2H2O(g)；ΔH3＝c kJ·mol－1

则根据盖斯定律：①×4+②+③×4，可得4CeCl3·7H2O(s)＋O2(g)=4CeO2(s)＋12HCl(g)＋22H2O(g)；ΔH＝(4a＋b＋4c) kJ·mol－1；

(3)根据图1所示，过程1中CeO2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：xCO＋CeO2=CeO(2－x)＋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Cl2把Ce3＋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)3，Ce(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≤1.0×10－5时，可认为该离子沉淀完全，则Ce3＋完全沉淀时，溶液中c(Ce3＋)= 1.0×10－5mol/L，Ksp[Ce2(C2O4)3]＝c2(Ce3＋) c3(C2O42－)=1.0×10－25，则c(C2O42－)== 1.0×10－5 mol·L－1。