Question

2．硼酸（H₃BO₃，一元弱酸）在工业上应用广泛．用硼镁矿（含MgO、B₂O₃、SiO₂及水）制备硼酸及BCl₃、VB₂（二硼化钒）等副产品的流程如下：

已知：（1）浸取过程中发生反应：2MgO+2B₂O₃+2NH₄HCO₃+H₂O═2NH₄H₂BO₃+2MgCO₃↓
（2）硼的性质与铝相似，既能与盐酸反应，也能与NaOH溶液反应回答下列问题：
（1）充分浸取后过滤，所得滤渣的主要成分是SiO₂、MgCO₃．浸取过程中温度过高，会使浸取率降低，原因是温度过高会使加入的NH₄HCO₃分解．
（2）上述流程中生成金属镁的化学方程式MgCl₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Mg+Cl₂↑．
（3）上述流程中制取硼的化学方程式是B₂O₃+3Mg $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ 3MgO+2B．证明粗硼中含有少量镁的化学方法是向粗硼中加入足量NaOH溶液，充分反应后固体未完全溶解．
（4）在高温下，用氢气还原B₂O₃制得高纯度硼．
已知：25℃、101kp_a时，
4B（s）+3O₂（g）═2B₂O₃（s）△H=-2520kJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
H₂（g） 还原B₂O₃（s）生成B（s） 和H₂O（l）的热化学方程式是3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）△H=+402kJ/mol．
（5）VB₂-空气电池是目前储电能力最高的电池．以VB₂-空气电池为电源，用惰性电极电解硫酸铜溶液如图所示，该电池工作时的反应为：4VB₂+11O₂═4B₂O₃+2V₂O₅．VB₂极发生的电极反应为2 VB₂+22 OH^--22e^-=V₂O₅+2B₂O₃+11 H₂O．
当外电路中通过0.04mol电子时，B装置内共收集到0.448L气体（标准状况），若B装置内的液体体积为200mL（电解前后溶液体积不变），则电解前CuSO₄溶液的物质的量浓度为0.05mol/L．
（6）用200t含20%（质量分数）B₂O₃的硼镁矿经过上述流程，若浸出率为69.6%，由浸出液制取硼酸的过程中硼元素的损失率为10%，可制得44496kg硼酸（提示：B₂O₃、H₃BO₃的摩尔质量分别为69.6、61.8g/mol）．

Answer 1

分析 浸取过程中发生反应：2MgO+2B₂O₃+2NH₄HCO₃+H₂O═2NH₄H₂BO₃+2MgCO₃↓，SiO₂不反应，过滤分离，滤渣含有SiO₂、MgCO₃，利用水解原理进行蒸氨，得到氨气循环利用，经过蒸发、结晶、过滤、洗涤得到硼酸，加热分解得到B₂O₃．滤渣用浓盐酸溶解，SiO₂不反应，碳酸镁与盐酸反应，过滤分离得到氯化镁溶液，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到氯化镁晶体，电解熔融的氯化镁得到Mg，Mg与B₂O₃发生置换反应得到B．
（1）充分浸取后过滤，所得滤渣的主要成分是：SiO₂、MgCO₃；浸取过程中温度过高，碳酸氢铵会分解；
（2）电解熔融的氯化镁生成金属镁，还生成氯气；
（3）Mg与B₂O₃发生置换反应得到B，还生成MgO；硼的性质与铝相似，能与NaOH溶液反应，而Mg与氢氧化钠不反应；
（4）已知：①4B（s）+3O₂（g）═2B₂O₃（s）△H=-2520kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
根据盖斯定律，②×$\frac{3}{2}$-①×$\frac{1}{2}$-③×3可得：3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）；
（5）该电池工作时的反应为：4VB₂+11O₂═4B₂O₃+2V₂O₅，碱性条件下，VB₂极发生氧化反应反应得到B₂O₃、V₂O₅，有氢氧根离子参与反应，同时有水生成；
B装置为电解池，阳极生成氧气，阴极首先写成Cu，铜离子放电完毕，氢离子放电生成氢气，根据电子转移守恒计算生成氧气的物质的量，进而计算生成氢气物质的量，再根据电子转移守恒计算电解前CuSO₄的物质的量；
（6）根据B元素守恒可得：B₂O₃～2H₃BO₃，将浸出率、损失率均转化为B₂O₃的利用率，结合关系式计算．

解答 解：浸取过程中发生反应：2MgO+2B₂O₃+2NH₄HCO₃+H₂O═2NH₄H₂BO₃+2MgCO₃↓，SiO₂不反应，过滤分离，滤渣含有SiO₂、MgCO₃，利用水解原理进行蒸氨，得到氨气循环利用，经过蒸发、结晶、过滤、洗涤得到硼酸，加热分解得到B₂O₃．滤渣用浓盐酸溶解，SiO₂不反应，碳酸镁与盐酸反应，过滤分离得到氯化镁溶液，经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到氯化镁晶体，电解熔融的氯化镁得到Mg，Mg与B₂O₃发生置换反应得到B．
（1）充分浸取后过滤，所得滤渣的主要成分是：SiO₂、MgCO₃；浸取过程中温度过高，会使加入的NH₄HCO₃分解，导致浸取率降低，
故答案为：SiO₂、MgCO₃；温度过高会使加入的NH₄HCO₃分解；
（2）电解熔融的氯化镁生成金属镁，还生成氯气，反应方程式为：MgCl₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Mg+Cl₂↑，
故答案为：MgCl₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$Mg+Cl₂↑；
（3）Mg与B₂O₃发生置换反应得到B，还生成MgO，反应方程式为：B₂O₃+3Mg $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ 3MgO+2B，硼的性质与铝相似，能与NaOH溶液反应，而Mg与氢氧化钠不反应，证明粗硼中含有少量镁的化学方法是：向粗硼中加入足量NaOH溶液，充分反应后固体未完全溶解，
故答案为：B₂O₃+3Mg $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ 3MgO+2B；向粗硼中加入足量NaOH溶液，充分反应后固体未完全溶解；
（4）已知：①4B（s）+3O₂（g）═2B₂O₃（s）△H=-2520kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
根据盖斯定律，②×$\frac{3}{2}$-①×$\frac{1}{2}$-③×3可得：3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）△H=+402kJ/mol，
故答案为：3H₂（g）+B₂O₃（s）=2B（s）+3H₂O（l）△H=+402kJ/mol；
（5）该电池工作时的反应为：4VB₂+11O₂═4B₂O₃+2V₂O₅，碱性条件下，VB₂极发生氧化反应反应得到B₂O₃、V₂O₅，有氢氧根离子参与反应，同时有水生成，电极反应式为：2 VB₂+22 OH^--22e^-=V₂O₅+2B₂O₃+11 H₂O，
B装置为电解池，阳极生成氧气，根据电子转移守恒可知氧气为$\frac{0.04mol}{4}$=0.01mol，生成气体总物质的量为$\frac{0.448L}{22.4L/mol}$=0.02mol，故生成氢气为0.01mol，由电子转移守恒，电解前CuSO₄的物质的量为$\frac{0.04mol-0.01mol×2}{2}$=0.01mol，故电解前CuSO₄溶液的物质的量浓度为$\frac{0.01mol}{0.2L}$=0.05mol/L，
故答案为：2 VB₂+22 OH^--22e^-=V₂O₅+2B₂O₃+11 H₂O；0.05；
（6）设可制得xkg硼酸，则：
         B₂O₃～～～～～～～～～～～2H₃BO₃
         69.6                   2×61.8
200×10³ kg×20%×69.6%×（1-10%）    x kg
所以69.6：2×61.8=200×10³ kg×20%×69.6%×（1-10%）：x kg
解得x=44496，
故答案为：44496．

点评 本题考查物质制备工艺流程、热化学方程式书写、电解原理、利用关系式进行的有关计算等，题目素材比较陌生，增大题目难度，较好地考查学生分析解决问题的能力、知识迁移运用能力．