Question

10．硼及其化合物在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛．已知：硼鎂礦的主要成分為Mg₂B₂O₅•H₂O，硼砂的化學(xué)式為Na₂B₄O₇•10H₂O．利用硼鎂礦制取金屬鎂及粗硼的工藝流程為

回答下列有關(guān)問題：
（1）硼砂中B的化合價(jià)為+3價(jià)；溶于熱水后，常用稀硫酸調(diào)pH至2～3制取H₃BO₃，該反應(yīng)的離子方程式為B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃．
X為H₃BO₃晶體加熱脫水的產(chǎn)物，其與Mg反應(yīng)制取粗硼的化學(xué)方程式為3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2B+3MgO．
（2）MgCl₂•7H₂O在HCl氛圍中加熱的原因是防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂．
若用惰性電極電解MgCl₂溶液，其陰極反應(yīng)式為2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓．
（3）鎂-H₂O₂酸性燃料電池的反應(yīng)機(jī)理為Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，則其正極反應(yīng)式為H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O．常溫下，若起始電解質(zhì)溶液pH=1，則pH=2時(shí)，溶液中Mg²⁺的濃度為0.045 mol•L^-1．已知K_sp[Mg（OH）₂]=5.610^-12，當(dāng)溶液pH=6時(shí)，沒有（填“有”或“沒有”）Mg（OH）₂沉淀析出．
（4）制得的粗硼在一定條件下生成BI₃，BI₃加熱分解可以得到純凈的單質(zhì)硼．現(xiàn)將0.020g粗硼制成的BI₃完全分解，生成的I₂用0.30mol•L^-1Na₂S₂O₃（H₂S₂O₃為弱酸）溶液滴定至終點(diǎn)，消耗Na₂S₂O₃溶液18.00mL．該粗硼樣品的純度為97.2%．（提示：I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-）

Answer 1

分析 硼鎂礦主要成分為Mg₂B₂O₅•H₂O，硼砂的化學(xué)式為Na₂B₄O₇•10H₂O．利用硼鎂礦制取金屬鎂及粗硼的工藝流程中硼鎂礦加入氫氧化鈉濃溶液過濾得到氯化鎂，加入濃鹽酸溶解通過蒸發(fā)濃縮得到氯化鎂結(jié)晶水合物，在氯化氫氣流中加熱得到氯化鎂固體，電解得到鎂；濾液中主要是NaBO₂，通入適量二氧化碳?xì)怏w得到硼砂，溶于熱后，用H₂SO₄調(diào)pH2～3制取H₃BO₃，加熱得到B₂O₃；
（1）硼砂的化學(xué)式為Na₂B₄O₇•10H₂O，依據(jù)元素化合價(jià)標(biāo)注計(jì)算硼元素化合價(jià)；用H₂SO₄調(diào)pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ；X為H₃BO₃晶體加熱脫水的產(chǎn)物得到B₂O₃，鎂和得到B₂O₃反應(yīng)生成氧化鎂和硼；
（2）氯化鎂在水溶液中水解生成氫氧化鎂；惰性電極電解MgCl₂溶液陰極氫離子得到電子生成氫氣，水的電離平衡破壞，水電離生成氫氧根離子濃度增大，和鎂離子形成氫氧化鎂沉淀，合并寫出電極反應(yīng)；
（3）燃料電池中正極上是過氧化氫得到電子生成水；依據(jù)電解質(zhì)溶液PH變化結(jié)合電池反應(yīng)計(jì)算鎂離子濃度；PH=6計(jì)算氫氧根離子濃度，結(jié)合生成鎂離子濃度計(jì)算濃度商和溶度積常數(shù)比較分析是否生成氫氧化鎂沉淀；
（4）根據(jù)關(guān)系式B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-及滴定數(shù)據(jù)計(jì)算出粗硼中硼的含量．

解答 解：（1）硼砂的化學(xué)式為Na₂B₄O₇•10H₂O，鈉元素化合價(jià)為+1價(jià)，氧元素化合價(jià)-2價(jià)，依據(jù)化合價(jià)代數(shù)和計(jì)算得到硼元素化合價(jià)為+3價(jià)；用H₂SO₄調(diào)pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ，反應(yīng)的離子方程式為：B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃，X為H₃BO₃晶體加熱脫水的產(chǎn)物是B₂O₃，鎂和得到B₂O₃反應(yīng)生成氧化鎂和硼，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2B+3MgO，反應(yīng)中元素化合價(jià)降低的做氧化劑，硼元素化合價(jià)+3價(jià)變化為0價(jià)，則B₂O₃做氧化劑；
故答案為：+3；B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2B+3MgO；
（2）MgCl₂•7H₂O需要在HCl氛圍中加熱，是為了防止氯化鎂水解生成氫氧化鎂；若用惰性電極電解MgCl₂溶液，陰極氫離子得到電子生成氫氣，水的電離平衡破壞，水電離生成氫氧根離子濃度增大，和鎂離子形成氫氧化鎂沉淀，合并寫出陰極反應(yīng)式為：2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
故答案為：防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂；2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
（3）鎂-H₂O₂酸性燃料電池的反應(yīng)機(jī)理為Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，正極上是過氧化氫得到電子生成水的反應(yīng)，正極反應(yīng)式H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；若起始電解質(zhì)溶液pH=1，則pH=2時(shí)溶液中，氫離子濃度減小0.1mol/L-0.01mol/L=0.09mol/L，依據(jù)反應(yīng)方程式得到Mg²⁺離子濃度=0.045mol/L；K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12，當(dāng)溶液pH=6時(shí)，c（OH^-）=10^-8mol/L，則Q_c=c（Mg²⁺）×c²（OH^-）=0.045mol/L×10^-16mol/L=4.5×10^-18＜K_sp[Mg（OH）₂]，說明無氫氧化鎂沉淀生成；
故答案為：H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；0.045 mol•L^-1；沒有；
（4）硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量為：0.30mol/L×0.018L=0.0054mol，I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-，
根據(jù)關(guān)系式：B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-，
n（B）=$\frac{1}{3}$n（S₂O₃^2-）=0.0018mol，
硼的質(zhì)量為：10.8g/mol×0.0018mol=0.01944g，粗硼中硼的含量為：$\frac{0.01944g}{0.0200g}$×100%=97.2%，
故答案為：97.2%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了鹽類的水解、原電池原理和電解池原理的分析，沉淀溶解平衡的計(jì)算應(yīng)用，題目難度稍大，計(jì)算是難點(diǎn)，計(jì)算時(shí)要充分利用題目所給數(shù)量關(guān)系和表中數(shù)據(jù)，根據(jù)質(zhì)量關(guān)系和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的概念快速解題．