Question

15．工業(yè)上用自然界存在的角膜硼鎂礦（主要成分為Mg₂B₃O₅•5H₂O）制取金屬鎂和粗硼，工藝過程如下：

根據(jù)以上信息回答下列問題：
（1）硼砂中硼的化合價+3，溶于熱水后，若需要調(diào)節(jié)pH為2-3制取硼酸，寫出該反應的離子方程式：B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；
（2）從氯化鎂晶體制得無水氯化鎂的條件是在HCl酸性氣流中加熱；其理由是防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂，若用惰性電磁電解MgCl₂溶液，寫出電解過程的離子方程式：2H₂O+Mg²⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Mg（OH）₂↓+Cl₂↑．
 （3）制得的粗硼可在一定條件與I₂作用生產(chǎn)BI₂，再提純BI₂，BI₂沸點較低，提純可采用蒸餾法；高溫時BI₂即可分解，得到高純度硼．根據(jù)分解生成碘的量還可以測定粗硼的粗度．方法如下：
稱取0.04g粗硼轉(zhuǎn)化成純BI₂，再完全分解，生成的碘用0.3mol/L的Na₂S₂O₃溶液滴定至終點，消耗標準液36.00mL（滴定原理：I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-）
①滴定終點判斷應用淀粉作指示劑；
②標準液應盛裝在堿式滴定管中；
③該粗硼的純度為99%．
（4）Mg-H₂O₂酸性染料電池的反應機理為：Mg+H₂O₂+2H⁺=Mg²⁺+2H₂O，則電池正極反應式為H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；常溫下，若起始電解液pH=1，則電池工作一段時間后，電解液pH=2，此時溶液中c（Mg²⁺）0.045 mol•L^-1；當溶液pH=6時，鎂元素的主要存在形式是Mg²⁺形式存在，沒有Mg（OH）₂沉淀．（已知：K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12）

Answer 1

分析 硼鎂礦主要成分為Mg₂B₂O₅•H₂O，硼砂的化學式為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，通入適量二氧化碳氣體得到硼砂，溶于熱水后，用H₂SO₄調(diào)pH2～3制取H₃BO₃，加熱得到B₂O₃；
（1）硼砂的化學式為Na₂B₄O₇•10H₂O，依據(jù)元素化合價標注計算硼元素化合價；用H₂SO₄調(diào)pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ；
（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，據(jù)此書寫離子方程；
（3）BI₂沸點較低，提純可以利用其沸點的特征用蒸餾的方法分離得到；生成的碘用0.3mol/L的Na₂S₂O₃溶液滴定至終點，需要淀粉溶液做反應的指示劑，H₂S₂O₃為弱酸，Na₂S₂O₃溶液顯堿性，據(jù)此選擇滴定管；根據(jù)關系式B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-及滴定數(shù)據(jù)計算出粗硼中硼的含量；
（4）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)合電池反應計算鎂離子濃度；PH=6計算氫氧根離子濃度，結(jié)合生成鎂離子濃度計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．

解答 解：（1）硼砂的化學式為Na₂B₄O₇•10H₂O，鈉元素化合價為+1價，氧元素化合價-2價，依據(jù)化合價代數(shù)和計算得到硼元素化合價為+3價；用H₂SO₄調(diào)pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ，反應的離子方程式為：B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；
故答案為：+3；B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；
（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，反應的離子方程式為2H₂O+Mg²⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Mg（OH）₂↓+Cl₂↑，
故答案為：防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂；2H₂O+Mg²⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Mg（OH）₂↓+Cl₂↑；
（3）制得的粗硼可在一定條件與I₂作用生產(chǎn)BI₂，再提純BI₂，BI₂沸點較低，提純可采用蒸餾的方法分離得到，故答案為：蒸餾；
①生成的碘用0.3mol/L的Na₂S₂O₃溶液滴定至終點，需要淀粉溶液做反應的指示劑，故答案為：淀粉溶液；
②硫代硫酸鈉溶液呈堿性，選擇堿式滴定管，故答案為：堿式；
③硫代硫酸鈉的物質(zhì)的量為：0.30mol/L×0.036L=0.0108mol，根據(jù)關系式：B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-，n（B）=$\frac{1}{3}$n（S₂O₃^2-）=0.0108mol×$\frac{1}{3}$=0.0036mol，
硼的質(zhì)量為：11g/mol×0.0036mol=0.0396g，粗硼中硼的含量為：$\frac{0.0396g}{0.04g}$×100%=99%，
故答案為：99%；
（4）鎂-H₂O₂酸性燃料電池的反應機理為Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，正極上是過氧化氫得到電子生成水的反應，正極反應式H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；若起始電解質(zhì)溶液pH=1，則pH=2時溶液中，氫離子濃度減小0.1mol/L-0.01mol/L=0.09mol/L，依據(jù)反應方程式得到Mg²⁺離子濃度=0.045mol/L；K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12，當溶液pH=6時，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，只有Mg²⁺形式存在；
故答案為：H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；0.045 mol•L^-1；Mg²⁺形式存在，沒有Mg（OH）₂沉淀．

點評 本題考查了鹽類的水解、原電池原理和電解池原理的分析，沉淀溶解平衡的計算應用，題目難度稍大，計算是難點，計算時要充分利用題目所給數(shù)量關系和表中數(shù)據(jù)，根據(jù)質(zhì)量關系和質(zhì)量分數(shù)的概念快速解題．