Question

10．已知：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為：

回答下列有關問題：
（1）硼砂中B的化合價為+3，將硼砂溶于熱水后，常用稀H₂SO₄調pH=2～3制取H₃BO₃，該反應的離子方程式為B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃．
（2）MgCl₂•7H₂O需要在HCl氛圍中加熱，其目的是抑制MgCl₂的水解．若用惰性電極電解MgCl₂溶液，其陰極反應式為2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓．
（3）鎂-H₂O₂酸性燃料電池的反應原理為 Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，則正極反應式為H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O．常溫下，若起始電解質溶液pH=1，則pH=2時，溶液中Mg²⁺濃度為0.045 mol•L^-1_．當溶液pH=6時，沒有（填“有”或“沒有”）Mg（OH）₂沉淀析出（已知K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12）．
（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溶液滴定至終點，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-）（結果保留一位小數(shù)）．

Answer 1

分析 硼鎂礦加入氫氧化鈉濃溶液，過濾得到濾渣為氫氧化鎂，濾渣中加入濃鹽酸溶解，通過蒸發(fā)濃縮得到氯化鎂結晶水合物，防止氯化鎂水解，在氯化氫氣流中加熱得到氯化鎂固體，電解熔融的氯化鎂得到鎂；濾液中主要是NaBO₂，通入適量二氧化碳氣體得到硼砂，將硼砂溶于熱水后，常用稀H₂SO₄調pH=2～3制取H₃BO₃，加熱得到B₂O₃．Mg與B₂O₃發(fā)生置換反應得到粗硼．
（1）根據(jù)化合價代數(shù)和為0計算硼砂中B的化合價；用H₂SO₄調pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ；
（2）氯化鎂容易水解生成氫氧化鎂，HCl可以抑制氯化鎂水解；惰性電極電解MgCl₂溶液，陰極發(fā)生還原反應，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；
（3）正極發(fā)生還原反應，過氧化氫在正極獲得電子生成水；根據(jù)pH變化計算氫離子濃度變化，結合電池反應式計算鎂離子濃度；pH=6時，計算濃度積Qc，與溶度積常數(shù)比較判斷是否生成氫氧化鎂沉淀；
（4）由原子守恒及給出的離子方程式，可得關系式：2B～2BI₃～3I₂～6Na₂S₂O₃，根據(jù)關系式計算．

解答 解：硼鎂礦加入氫氧化鈉濃溶液，過濾得到濾渣為氫氧化鎂，濾渣中加入濃鹽酸溶解，通過蒸發(fā)濃縮得到氯化鎂結晶水合物，防止氯化鎂水解，在氯化氫氣流中加熱得到氯化鎂固體，電解熔融的氯化鎂得到鎂；濾液中主要是NaBO₂，通入適量二氧化碳氣體得到硼砂，將硼砂溶于熱水后，常用稀H₂SO₄調pH=2～3制取H₃BO₃，加熱得到B₂O₃．Mg與B₂O₃發(fā)生置換反應得到粗硼．
（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，根據(jù)化合價代數(shù)和為0，可知硼元素化合價為+3價；用H₂SO₄調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）加熱MgCl₂•7H₂O時，氯化鎂水解生成氫氧化鎂，在HCl氛圍中加熱可以抑制MgCl₂的水解；
惰性電極電解MgCl₂溶液，陰極發(fā)生還原反應，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，陰極反應式為：2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
故答案為：抑制MgCl₂的水解；2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
（3）正極發(fā)生還原反應，過氧化氫在正極獲得電子生成水，正極反應式H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；若起始電解質溶液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，由反Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，可知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；
故答案為：H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；0.045 mol•L^-1；沒有；
（4）硫代硫酸鈉的物質的量為：0.30mol/L×0.018L=0.0054mol，根據(jù)關系式：2B～2BI₃～3I₂～6Na₂S₂O₃，可知n（B）=$\frac{1}{3}$n（S₂O₃^2-）=0.0018mol，硼的質量為10.81g/mol×0.0018mol=0.01944g，粗硼中硼的含量為：$\frac{0.01944g}{0.020g}$×100%=97.2%，
故答案為：97.2%．

點評 本題考查物質制備工藝流程，涉及對操作的分析評價、電解原理與計算、溶度積有關計算、物質含量測定等，整個問題中只有（1）中調節(jié)pH與工藝流程有關，其問題就能無關，是對學生綜合能力的考查，難度中等．