Question

16．卤块的主要成分是MgCl₂，此外还含Fe³⁺、Fe²⁺和Mn²⁺等离子．若以它以及表2中的某些物质为原料，按图所示工艺流程进行生产，可制得轻质氧化镁．

若要求产品尽量不含杂质，而且生产成本较低，请根据表1和表2提供的资料，填写空白：
表1  生成氢氧化物沉淀的pH

物质	开始沉淀	沉淀完全
Fe（OH）3	2.7	3.7
Fe（OH）2	7.6	9.6*
Mn（OH）2	8.3	9.8
Mg（OH）2	9.6	11.1

*Fe²⁺氢氧化物呈絮状，不易从溶液中除去，所以，常将它氧化为Fe³⁺，生成Fe（OH）₃沉淀除去．
表2  原料价格表

物质	价格（元•吨-1）
漂液（含25.2% NaClO）	450
双氧水（含30% H2O2）	2400
烧碱（含98% NaOH）	2100
纯碱（含99.5% Na2CO3）	600

（1）在步骤②中加入的试剂X，最佳的选择是漂液NaClO，写出步骤②中pH=1时所发生反应的离子方程式：2Fe²⁺+ClO^-+2H⁺═2Fe³⁺+Cl^-+H₂O；
（2）在步骤③中加入的试剂是烧碱；之所以要控制pH=9.8，其目的是使Mg²⁺以外的杂质离子转化成沉淀除去；
（3）某燃料电池的燃料为CO，氧化剂为含CO₂的O₂，电解质为熔融态的试剂Z（步骤④中加入试剂的有效成分），则该燃料电池的正极电极反应方程式为：O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-；
（4）在步骤⑤中发生的反应是MgCO₃+H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ Mg（OH）₂+CO₂↑．

Answer 1

分析 为除去Fe²⁺，先将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，然后加入NaOH调节pH为9.8，然后在滤液中加入纯碱将Mg²⁺从溶液中以MgCO₃沉淀出来，然后加热煮沸可得到Mg（OH）₂，灼烧后得到MgO．
（1）依据图表数据和经济效益分析加入的试剂X的最佳选择；次氯酸钠具有氧化性在酸溶液中氧化 亚铁离子为铁离子，据此写出反应的离子方程式；
（2）步骤③的目的在于使除Mg²⁺以外的各种杂质金属离子都生成氢氧化物沉淀，以便通过过滤而除去；
（3）燃料电池中，正极发生的反应一定是氧气得电子的过程；电池是以熔融碳酸盐为电解质，可以循环利用的物质只有二氧化碳；
（4）在步骤⑤中发生的反应是碳酸镁加热和水反应生成氢氧化镁沉淀，氢氧化镁沉淀溶解度小于碳酸镁的溶解度实现沉淀转化．

解答 解：（1）步骤②是为了将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，并在控制合适的pH条件时生成Fe（OH）₃沉淀而除之，虽然漂液和H₂O₂都可采用，但对比表2提供的原料价格可以看出，漂液比H₂O₂的价格低得多，所以选漂液最合理，流程中加入次氯酸钠在酸性溶液中会氧化亚铁离子为铁离子，反应的离子方程式为：2Fe²⁺+ClO^-+2H⁺=2Fe³⁺+Cl^-+H₂O，
故答案为：漂液NaClO；2Fe²⁺+ClO^-+2H⁺═2Fe³⁺+Cl^-+H₂O；
（2）步骤③的目的在于使除Mg²⁺以外的各种杂质金属离子都生成氢氧化物沉淀，以便通过过滤而除去，应加入NaOH，如加入纯碱，不能达到较高的PH，分析表1提供的数据：除去杂质离子合理的pH范围是3.7＜pH＜9.8，在此范围内，如果pH过高，就会有大量的Mg²⁺生成Mg（OH）₂而进入沉淀中，从而导致生产成本的提高；为了兼顾产品质量和生产成本，选择pH=9.8最合理，当然此时Mg²⁺也会部分生成Mg（OH）₂沉淀，但由于卤块价格低廉，这点不可避免的损失还是可以承受的，以此保证产品的纯度，
故答案为：烧碱；使除Mg²⁺以外的各种杂质金属离子都成为氢氧化物沉淀以便除去；
（3）该电池中，正极反应一定是氧气得电子的过程，该电池的电解质环境是熔融碳酸盐，所以电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-），
故答案为：O₂+4e^-+2CO₂═2CO₃^2-；
（4）在步骤⑤中发生的反应是碳酸镁加热和水反应生成氢氧化镁沉淀，氢氧化镁沉淀溶解度小于碳酸镁的溶解度实现沉淀转化，反应的化学方程式为：MgCO₃+H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ Mg（OH）₂+CO₂↑，
故答案为：MgCO₃+H₂O $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$ Mg（OH）₂+CO₂↑．

点评 本题通过以卤块为原料制取轻质氧化镁的工艺流程，考查了物质制备实验方案的设计，题目难度中等，注意掌握化学基本实验操作方法，明确物质制备实验方案设计原则，本题中合理分析制取流程、得出氧化镁的制备原理为解题的关键，试题综合性较强、涉及知识点较多，充分考查了学生的分析、理解能力及化学实验能力．