Question

4．鈰是地殼中豐度最高稀土元素，二氧化鈰（CeO₂）是其重要的化合物．平板液晶顯示屏生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢玻璃粉末，其中含CeO₂、SiO₂、Fe₂O₃等物質(zhì)，某實(shí)驗(yàn)小組以此粉末為原料回收鈰，設(shè)計(jì)流程如圖：

（1）步驟Ⅰ加入過(guò)量鹽酸后，溶液a中的陽(yáng)離子有Fe³⁺、H⁺，固體b的成分是SiO₂．
（2）步驟Ⅱ中反應(yīng)的離子方程式為2CeO₂+H₂O₂+6H⁺═2Ce³⁺+O₂↑+4H₂O．
（3）當(dāng)溶液中離子濃度小于1×10^-6mol•L^-1時(shí)視為沉淀充全，則步驟Ⅲ中加入NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH應(yīng)大于[己知：Ce（OH）₃的K_sp=8.0×10^-21，1g2=0.3]．第V步反應(yīng)的化學(xué)方程式是4Ce（OH）₃+O₂+2H₂O═4Ce（OH）₄．
（4）步驟Ⅳ中的實(shí)驗(yàn)操作包括過(guò)濾，將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶．將NH₄Cl固體與CeCl₃•6H₂O混合真空加熱可得無(wú)水CeCl₃，其中加入NH₄Cl的作用是NH₄Cl固體受熱分解生成的HCl可抑制CeCl₃水解．
（5）無(wú)水CeCl₃是重要的分析試劑，現(xiàn)欲對(duì)CeCl₃樣品純度進(jìn)行測(cè)定，其方法是：準(zhǔn)確稱取樣品wg配成100.00mL溶液，取25.00mL 置于錐形瓶中，加入和過(guò)量的過(guò)硫酸銨溶液將Ce³⁺氧化為Ce⁴⁺，然后用莘取劑[用（HT）₂表示]萃取Ce⁴⁺，再用c mol/L（NH₄）2Fe（SO₄）₂標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)（Ce⁴⁺被還原為Ce³⁺），重復(fù) 2-3次，平均消耗VmL標(biāo)準(zhǔn)溶液．
①“萃取”時(shí)存在反應(yīng)：Ce⁴⁺+n（HT）2?Ce（H₂n-4T₂n）+4H⁺，若要提高滴定的準(zhǔn)確率，應(yīng)使溶液呈酸性（填“酸”、“堿”或“中”）．若未進(jìn)行“萃取”，經(jīng)計(jì)算所得結(jié)果偏高，其原因是過(guò)量的過(guò)硫酸銨溶液也會(huì)與Fe²⁺反應(yīng)，從而使結(jié)果偏高．
②經(jīng)計(jì)算，CeCl₃樣品的純度為$\frac{246.5cV}{250w}$×100% 或 $\frac{98.6cV}{w}$%．[M（CeCl₃）=246.5g/mol]．

Answer 1

分析 平板液晶顯示屏生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢玻璃粉末，其中含CeO₂、SiO₂、Fe₂O₃等物質(zhì)，加入HCl過(guò)濾得到固體a和溶液a，溶液a中主要是氯化鐵溶液和鹽酸溶液，固體a中為二氧化硅和二氧化鈰，固體中加入稀硫酸和過(guò)氧化氫反應(yīng)后過(guò)濾得到固體b為二氧化硅，溶液b為硫酸鈰溶液，加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液PH生成氫氧化鈰沉淀，懸濁液中通氧氣過(guò)濾、洗滌、干燥得到Ce（OH）₄，懸濁液中加入鹽酸得到CeCl₃溶液，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾洗滌得到結(jié)晶水合物，將NH₄Cl固體與CeCl₃•6H₂O混合真空加熱可得無(wú)水CeCl₃，利用氯化銨分解生成的氯化氫抑制Ce³⁺離子的水解，得到無(wú)水CeCl₃，
（1）廢玻璃粉末，其中含CeO₂、SiO₂、Fe₂O₃等物質(zhì)，步驟Ⅰ加入過(guò)量鹽酸后，溶液a中的陽(yáng)離子有Fe³⁺、H⁺，CeO₂、SiO₂不溶于鹽酸，加入稀硫酸和過(guò)氧化氫反應(yīng)后CeO₂反應(yīng)生成Ce³⁺；
（2）步驟Ⅱ中反應(yīng)二氧化鈰在稀硫酸溶液中被過(guò)氧化氫還原生成三價(jià)鈰離子，過(guò)氧化氫被氧化生成氧氣；
（3）當(dāng)溶液中離子濃度小于1×10^-6mol•L^-1時(shí)視為沉淀充全，結(jié)合溶度積常數(shù)計(jì)算氫氧根離子濃度，得到溶液PH，第V步反應(yīng)是氫氧化鈰被氧氣氧化生成Ce（OH）₄；
（4）溶液中得到溶質(zhì)固體需要蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾洗滌得到，氯化銨受熱分解生成氯化氫會(huì)抑制Ce³⁺離子的水解；
（5）①“萃取”時(shí)存在反應(yīng)：Ce⁴⁺+n（HT）2?Ce（H₂n-4T₂n）+4H⁺，若要提高滴定的準(zhǔn)確率，需要平衡逆向進(jìn)行，因此溶液呈酸性，由于過(guò)量的過(guò)硫酸銨溶液也會(huì)和亞鐵離子反應(yīng)，所以若未進(jìn)行“萃取”，經(jīng)計(jì)算所得結(jié)果偏高；
②電子守恒可知Ce³⁺物質(zhì)的量等于亞鐵離子的物質(zhì)的量，據(jù)此計(jì)算；

解答 解：平板液晶顯示屏生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的廢玻璃粉末，其中含CeO₂、SiO₂、Fe₂O₃等物質(zhì)，加入HCl過(guò)濾得到固體a和溶液a，溶液a中主要是氯化鐵溶液和鹽酸溶液，固體a中為二氧化硅和二氧化鈰，固體中加入稀硫酸和過(guò)氧化氫反應(yīng)后過(guò)濾得到固體b為二氧化硅，溶液b為硫酸鈰溶液，加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液PH生成氫氧化鈰沉淀，懸濁液中通氧氣過(guò)濾、洗滌、干燥得到Ce（OH）₄，懸濁液中加入鹽酸得到CeCl₃溶液，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾洗滌得到結(jié)晶水合物，將NH₄Cl固體與CeCl₃•6H₂O混合真空加熱可得無(wú)水CeCl₃，利用氯化銨分解生成的氯化氫抑制Ce³⁺離子的水解，得到無(wú)水CeCl₃，
（1）廢玻璃粉末，其中含CeO₂、SiO₂、Fe₂O₃等物質(zhì)，步驟Ⅰ加入過(guò)量鹽酸后，溶液a中的陽(yáng)離子有Fe³⁺、H⁺，CeO₂、SiO₂不溶于鹽酸，加入稀硫酸和過(guò)氧化氫反應(yīng)后過(guò)濾得到固體b的成分是 SiO₂，
故答案為：Fe³⁺、H⁺；SiO₂；
（2）步驟Ⅱ中反應(yīng)二氧化鈰在稀硫酸溶液中被過(guò)氧化氫還原生成三價(jià)鈰離子，過(guò)氧化氫被氧化生成氧氣，反應(yīng)的離子方程式為：2CeO₂+H₂O₂+6H⁺═2Ce³⁺+O₂↑+4H₂O，
故答案為：2CeO₂+H₂O₂+6H⁺═2Ce³⁺+O₂↑+4H₂O；
（3）當(dāng)溶液中離子濃度小于1×10^-6mol•L^-1時(shí)視為沉淀充全，結(jié)合溶度積常數(shù)計(jì)算氫氧根離子濃度c（OH^-）=$\root{3}{\frac{Ksp}{c（C{e}^{3+}）}}$=$\root{3}{\frac{8.0×1{0}^{-21}}{1×1{0}^{-6}}}$=2×10^-5mol/L，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-5}}$=5×10^-10mol/L，得到溶液PH=-lg5×10^-10=9.3，第V步反應(yīng)是氫氧化鈰被氧氣氧化生成Ce（OH）₄，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：4Ce（OH）₃+O₂+2H₂O═4Ce（OH）₄，
故答案為：9.3； 4Ce（OH）₃+O₂+2H₂O═4Ce（OH）₄；
（4）溶液中得到溶質(zhì)固體需要蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾洗滌得到，氯化銨受熱分解生成氯化氫會(huì)抑制Ce³⁺離子的水解，步驟Ⅳ中的實(shí)驗(yàn)操作包括：過(guò)濾，將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶，將NH₄Cl固體與CeCl₃•6H₂O混合真空加熱可得無(wú)水CeCl₃，其中加入NH₄Cl的作用是：NH₄Cl固體受熱分解生成的HCl可抑制CeCl₃水解，
故答案為：過(guò)濾，將濾液蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶；NH₄Cl固體受熱分解生成的HCl可抑制CeCl₃水解；
（5）①“萃取”時(shí)存在反應(yīng)：Ce⁴⁺+n（HT）2?Ce（H₂n-4T₂n）+4H⁺，若要提高滴定的準(zhǔn)確率，需要平衡逆向進(jìn)行，因此溶液呈酸性，由于過(guò)量的過(guò)硫酸銨溶液也會(huì)和亞鐵離子反應(yīng)，所以若未進(jìn)行“萃取”，經(jīng)計(jì)算所得結(jié)果偏高，
故答案為：酸； 過(guò)量的過(guò)硫酸銨溶液也會(huì)與Fe²⁺反應(yīng)，從而使結(jié)果偏高；
②電子守恒可知Ce³⁺物質(zhì)的量等于亞鐵離子的物質(zhì)的量，則CeCl₃樣品的純度=$\frac{0.001cV×246.5×\frac{100}{25}}{w}$×100%=$\frac{246.5cV}{250w}$×100%=$\frac{98.6cV}{w}$%，
故答案為：$\frac{246.5cV}{250w}$×100% 或 $\frac{98.6cV}{w}$%；

點(diǎn)評(píng) 本題以提取CeCl₃的一種工藝流程為載體，考查了化合價(jià)、離子反應(yīng)、沉淀溶解平衡的計(jì)算、實(shí)驗(yàn)基本操作、化學(xué)計(jì)算等知識(shí)，側(cè)重分析、推斷及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ木C合考查，題目難度中等．