Question

9．硼鎂泥是硼鎂礦生產(chǎn)硼砂晶體（Na₂B₄O₇•10H₂O）時的廢渣，其主要成分是MgO，還含有Na₂B₄O₇、CaO、Fe₂O₃、FeO、MnO、SiO₂等雜質(zhì)．以硼鎂泥為原料制取的七水硫酸鎂在印染、造紙和醫(yī)藥等工業(yè)上都有廣泛的應(yīng)用．硼鎂泥制取七水硫酸鎂的工藝流程如圖：

回答下列問題：
（1）Na₂B₄O₇•10H₂O中B的化合價為+3．
（2）Na₂B₄O₇易溶于水，也較易發(fā)生水解：B₄O₇^2-+7H₂O?4H₃BO₃（硼酸）+2OH^-，（硼酸在常溫下溶解度較�。�．寫出加入硫酸時Na₂B₄O₇發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：Na₂B₄O₇+H₂SO₄+5H₂O═Na₂SO₄+4H₃BO₃↓．
（3）濾渣B中含有不溶于稀鹽酸但能溶于濃鹽酸的黑色固體，寫出生成黑色固體的離子方程式ClO^-+Mn²⁺+H₂O═MnO₂+Cl^-+2H⁺．
（4）加入MgO的目的是調(diào)節(jié)溶液的pH值，使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃除去．
（5）己知MgSO₄、CaSO₄的溶解度如表：

溫度（℃） 溶解度（g）	40	50	60	70
MgSO4	30.9	33.4	35.6	36.9
CaSO4	0.210	0.207	0.201	0.193

操作“A”是將MgSO₄和CaSO₄混合溶液中的CaS、SO₄除去，根據(jù)上表數(shù)據(jù)，簡要說明“操作A”步驟為蒸發(fā)濃縮，趁熱過濾．
（6）Na₂B₄O₇•10H₂O失去全部結(jié)晶水后的硼砂與金屬鈉、氫氣及石英砂一起反應(yīng)可制備有機化學(xué)中的“萬能還原劑--NaBH₄”（該過程B的化合價不變）．
①寫出NaBH₄的電子式．
②“有效氫含量”可用來衡量含氫還原劑的還原能力，其定義是：每克含氫還原劑的還原能力相當(dāng)于多少克H₂的還原能力．NaBH₄的有效氫含量為0.21（計算結(jié)果保留兩位小數(shù)）．
③在堿性條件下，在陰極上電解NaBO₂也可制得硼氫化鈉，寫出陰極室的電極反應(yīng)式BO₂^-+6H₂O+8e^-═BH₄^-+8OH^-．

Answer 1

分析 分析流程，硼鎂泥中主要有MgO，還含有Na₂B₄O₇、CaO、Fe₂O₃、FeO、MnO、SiO₂等雜質(zhì)，通過硫酸酸浸，得到濾渣為SiO₂，濾液中含有Na⁺，Ca²⁺，F(xiàn)e²⁺，F(xiàn)e³⁺，Mn²⁺，H⁺，SO₄^2-，B₄O₇^2-，經(jīng)過NaClO溶液處理，NaClO在酸性溶液中具有一定的氧化性，將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，將Mn²⁺氧化為MnO₂，加入MgO處理，形成Fe（OH）₃和MnO₂，這就是濾渣B，濾液經(jīng)過蒸發(fā)濃縮，趁熱過濾，得到濾渣C為CaSO₄•2H₂O，此時濾液中存在Na⁺，B₄O₇^2-，SO₄^2-，Mg²⁺，濾液經(jīng)過冷卻結(jié)晶，得到MgSO₄•7H₂O和硼砂溶液，據(jù)此分析；
（1）根據(jù)物質(zhì)呈電中性原理，計算B的化合價；
（2）硼砂水解產(chǎn)生H₃BO₃，H₃BO₃是弱酸，在硼砂溶液中加入硫酸，可以制得H₃BO₃，據(jù)此寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式；
（3）濾渣B中含有不溶于稀鹽酸但能溶于濃鹽酸的黑色固體，根據(jù)流程分析，應(yīng)為MnO₂，由NaClO在酸性溶液中氧化Mn²⁺得到，據(jù)此寫出反應(yīng)的離子方程式；
（4）加入MgO，使溶液中Fe³⁺產(chǎn)生Fe（OH）₃沉淀，除去Fe³⁺，據(jù)此分析加入MgO的作用；
（5）操作“A”是將MgSO₄和CaSO₄混合溶液中的CaSO₄除去，根據(jù)溶解性數(shù)據(jù)的分析操作A的步驟；
（6）①NaBH₄的電子式，存在Na⁺和BH₄^-，據(jù)此寫出電子式；
②根據(jù)有效含氫量的定義，每克含氫還原劑的還原能力相當(dāng)于多少克H₂的還原能力，H₂做還原劑，1molH₂失去電子2mol，結(jié)合電子得失守恒計算；
③堿性條件下，在陰極上電解NaBO₂也可制得硼氫化鈉，陰極處發(fā)生的反應(yīng)為物質(zhì)得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，考慮到溶液為堿性，OH^-參加反應(yīng)或反應(yīng)生成OH^-，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式．

解答 解：（1）根據(jù)物質(zhì)呈電中性原理，Na₂B₄O₇•10H₂O中Na為+1價，O為-2價，則B的化合價為$\frac{2×7-1×2}{4}$=+3，
故答案為：+3；
（2）硼砂水解產(chǎn)生H₃BO₃，H₃BO₃是弱酸，在硼砂溶液中加入硫酸，可以制得H₃BO₃，則加入硫酸時Na₂B₄O₇發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Na₂B₄O₇+H₂SO₄+5H₂O═Na₂SO₄+4H₃BO₃，
故答案為：Na₂B₄O₇+H₂SO₄+5H₂O═Na₂SO₄+4H₃BO₃↓；
（3）濾渣B中含有不溶于稀鹽酸但能溶于濃鹽酸的黑色固體，根據(jù)流程分析，應(yīng)為MnO₂，由NaClO在酸性溶液中氧化Mn²⁺得到，考慮到介質(zhì)為酸性，H⁺參與反應(yīng)或反應(yīng)生成H⁺，則生成黑色固體的離子方程式為：ClO^-+Mn²⁺+H₂O═MnO₂+Cl^-+2H⁺，
故答案為：ClO^-+Mn²⁺+H₂O═MnO₂+Cl^-+2H⁺；
（4）加入MgO，使溶液中Fe³⁺產(chǎn)生Fe（OH）₃沉淀，除去Fe³⁺，則加入MgO的目的是：調(diào)節(jié)溶液的pH值，使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃除去，
故答案為：調(diào)節(jié)溶液的pH值，使Fe³⁺轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃除去；
（5）操作“A”是將MgSO₄和CaSO₄混合溶液中的CaSO₄除去，根據(jù)溶解性的數(shù)據(jù)分析，隨著溫度的升高，MgSO₄的溶解度增加，CaSO₄的溶解度降低，可見隨著溫度升高，二者溶解度差別增大，因此可考慮操作A中對溶液蒸發(fā)濃縮，可以析出大量的CaSO₄固體，在溫度高時，進(jìn)行趁熱過濾可以達(dá)到分離的目的，
故答案為：蒸發(fā)濃縮，趁熱過濾；
（6）①NaBH₄的電子式，存在Na⁺和BH₄^-，則NaBH₄的電子式為：，
故答案為：；
②根據(jù)有效含氫量的定義，每克含氫還原劑的還原能力相當(dāng)于多少克H₂的還原能力，H₂做還原劑，1molH₂失去電子2mol，1gH₂的物質(zhì)的量為$\frac{1g}{2g/mol}$=0.5mol，0.5molH₂轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為1mol，根據(jù)電子得失守恒，NaBH₄也應(yīng)轉(zhuǎn)移1mol電子，NaBH₄中H為-1價，做還原劑時，H從-1價升高為+1價，1molNaBH₄轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4×2=8mol，則轉(zhuǎn)移1mol電子消耗NaBH₄的物質(zhì)的量為0.125mol，其質(zhì)量為0.125mol×38g/mol=4.75g，即1gH₂相當(dāng)于4.75gNaBH₄，那么1gNaBH₄相當(dāng)于$\frac{1}{4.75}$gH₂，即0.21gH₂，
故答案為：0.21；
③堿性條件下，在陰極上電解NaBO₂也可制得硼氫化鈉，陰極處發(fā)生的反應(yīng)為物質(zhì)得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，考慮到溶液為堿性，OH^-參加反應(yīng)或反應(yīng)生成OH^-，則陰極室的電極反應(yīng)式為：BO₂^-+6H₂O+8e^-═BH₄^-+8OH^-，
故答案為：BO₂^-+6H₂O+8e^-═BH₄^-+8OH^-．

點評 本題考查無機工藝流程，以B元素為背景，硼砂是B的化合物中比較重要的物質(zhì)，題目涉及到氧化還原反應(yīng)方程式的書寫，實驗流程的分析，電子式的書寫，電極反應(yīng)式的書寫，考查的知識點較綜合，著重原理知識，題目難度中等．
值得一提的是，學(xué)過大學(xué)無機化學(xué)的元素化學(xué)這部分的，會知道硼族元素的B性質(zhì)很有研究，硼砂水溶液是堿性的緩沖溶液，硼砂還可用于分析化學(xué)測定金屬離子，叫做硼砂珠實驗，B是典型的缺電子結(jié)構(gòu)，對于硼氫化合物也叫硼烷，其結(jié)構(gòu)又是一個研究，相比于有機化學(xué)的烷烴，無論是硼烷還是硅烷，數(shù)量還是有限的，硼烷的特殊結(jié)構(gòu)就是由于B的缺電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，對于其結(jié)構(gòu)也不是常有的理論解釋，更多采用離域電子解釋，由此也有威德規(guī)則解釋單多面體硼烷幾何構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)（高等無機化學(xué)中會詳細(xì)解釋），也由于B的缺電子結(jié)構(gòu)，硼鹵烷常作為路易斯酸，在有機化學(xué)領(lǐng)域又有著應(yīng)用，總之，無機元素化學(xué)是無機化學(xué)中一塊很有研究價值的領(lǐng)域，無機化學(xué)的豐富性在于此．