Question

5．多晶硅（硅單質的一種）被稱為“微電子大廈的基石”，制備中副產物以SiCl₄為主，它環境污染很大，能遇水強烈水解，放出大量的熱．研究人員利用SiCl₄水解生成的鹽酸和鋇礦粉（主要成分為BaCO₃，且含有鐵、鎂等離子）制備BaCl₂•2H₂O，工藝流程如下：
已知：
①常溫下Fe³⁺、Mg²⁺完全沉淀的pH分別是3.4、12.4
②BaCO₃的相對分子質量是197；BaCl₂•2H₂O的相對分子質量是244
回答下列問題：
（1）SiCl₄發生水解反應的化學方程式為SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl．
（2）用H₂還原SiCl₄蒸汽可制取純度很高的硅，當反應中有1mol電子轉移時吸收59KJ熱量，則該反應的熱化學方程式為SiCl₄（s）+2H₂（g）=Si（s）+4HCl（g）△H=+236kJ/mol．
（3）加鋇礦粉并調節pH=7的目的是①使BaCO₃轉化為BaCl₂，②使Fe³⁺完全沉淀生成氫氧化鐵沉淀．
（4）過濾②后的濾液中Fe³⁺濃度為2.2×10^-17mo/L（濾液溫度25℃，K_sp[Fe（OH）₃]=2.2×10^-38）．
（5）生成濾渣A的離子方程式Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓．
（6）列式計算出10噸含78.8% BaCO₃的鋇礦粉理論上最多能生成BaCl₂•2H₂O的質量為多少噸？

Answer 1

分析 流程分析可知四氯化硅控制溫度40°C，加入水水解生成原硅酸和氯化氫，過濾得到鹽酸溶液，加入鋇礦粉主要成分為BaCO₃，且含有鐵、鎂等離子，調節溶液pH=7，使BaCO₃轉化為BaCl₂，同時使Fe³⁺完全沉淀，過濾得到濾渣為氫氧化鐵，濾液加入氫氧化鈉溶液調節溶液pH=12.5，控制70°C，得到氫氧化鎂沉淀，過濾得到濾液為氯化鋇溶液蒸發濃縮，冷卻結晶，過濾洗滌得到氯化鋇晶體；
（1）氯化硅水解生成原硅酸和氯化氫；
（2）依據熱化學方程式書寫方法得到由SiCl₄制備硅的熱化學方程式，注意焓變的計算；
（3）pH=3.4時，三價鐵離子轉化為氫氧化鐵，當調節PH=7時能促使三價鐵離子沉淀完全；
（4）依據溶度積常數計算；
（5）根據氫氧化鐵和氫氧化鎂完全沉淀所需溶液的PH值確定濾渣A的成分；
（6）依據鋇元素守恒關系計算得到．

解答 解：（1）氯化硅水解生成原硅酸和氯化氫，水解方程式為：SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl，故答案為：SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl；
（2）用H₂還原SiCl₄蒸氣可制取純度很高的硅，當反應中有1mol電子轉移時吸收59KJ熱量，轉移4mol電子吸收熱量236KJ，反應的熱化學方程式：SiCl₄（s）+2H₂（g）=Si（s）+4HCl（g）△H=+236kJ/mol，
故答案為：SiCl₄（s）+2H₂（g）=Si（s）+4HCl（g）△H=+236kJ/mol；
（3）pH=3.4時，三價鐵離子完全生成沉淀，使Fe³⁺完全沉淀；鹽酸和碳酸鋇反應生成氯化鋇和二氧化碳、水，加鋇礦粉并調節pH=7的作用是使BaCO₃轉化為BaCl₂，同時使使Fe³⁺完全沉淀，
故答案為：使BaCO₃轉化為BaCl₂；使Fe³⁺完全沉淀生成氫氧化鐵沉淀；
（4）pH=7溶液中鐵離子全部沉淀，c（OH-）=10^-7mol/L，K_sp[Fe（OH）₃]=c（Fe³⁺）c³（OH^-）=2.2×10^-38，c（Fe³⁺）=$\frac{2.2×1{0}^{-38}}{（1{0}^{-7}）^{3}}$=2.2×10^-17mo/L；
故答案為：2.2×10^-17mo/L；
（5）當pH=3.4時，鐵離子完全生成沉淀，當pH=12.4時，鎂離子完全沉淀生成氫氧化鎂，Mg（OH）₂，所以當pH=12.5時，濾渣A的成分是氫氧化鎂，反應的離子方程式為：Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓，故答案為：Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓；
（6）10噸含78.8% BaCO₃的鋇礦粉制備BaCl₂•2H₂O，結合鋇元素守恒得到，
BaCO₃ ～BaCl₂•2H₂O
197        244
10t×78.8%   m
理論上最多能生成BaCl₂•2H₂O的質量m=10t×78.8%×$\frac{244}{197}$=9.76t，
答：質量為9.76t．

點評 本題考查了BaCl₂•2H₂O制備實驗方案的設計方法，題目難度中等，為高考的熱點，正確理解制備流程、反應原理為解答關鍵，涉及了制備方案的設計、熱化學方程式、離子方程式書寫，試題充分考查了學生的分析、理解能力及靈活應用所學知識的能力．