Question

11．單質硅是很重要的工業產品．
（1）硅用于冶煉鎂，也稱硅熱法煉鎂．根據下列條件：
Mg（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=MgO（s）△H₁=-601.8kJ/mol
Mg（s）=Mg（g）△H₂=+75kJ/mol
Si（s）+O₂（g）=SiO₂（s）△H₃=-859.4kJ/mol
則2MgO（s）+Si（s）=SiO₂（s）+2Mg（g）△H=+494.2kJ/mol
Mg-NiOOH水激活電池是魚雷的常用電池，電池總反應是：Mg+2NiOOH+2H₂O=Mg（OH）₂+2Ni（OH）₂，寫出電池正極的電極反應式NiOOH+H₂O+e-=Ni（OH）₂+OH^-．
（2）制備多晶硅（硅單質的一種）的副產物主要是SiCl₄，SiCl₄對環境污染很大，遇水強烈水解，放出大量的熱．研究人員利用SiCl₄和鋇礦粉（主要成分為BaCO₃，且含有Fe³⁺、Mg²⁺等離子）制備BaCl₂•2H₂O和SiO₂等物質．工藝流程如下：

已知：25℃K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，K_sp[Mg（OH）₂]=1.8×10^-11；通常認為殘留在溶液中的離子濃度小于1×10^-5mol/L時，沉淀就達完全．回答下列問題：
①SiCl₄發生水解反應的化學方程式為SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl或SiCl₄ +3H₂O=H₂SiO₃↓+4HCl．
②若加鋇礦粉調節pH=3時，溶液中c（Fe³⁺）=4.0×10^-5mol/L．
③若用10噸含78% BaCO₃的鋇礦粉，最終得到8.4噸BaCl₂•2H₂O （M=244g/mol），則產率為86.9%．
④濾渣C能分別溶于濃度均為3mol/L的NH₄Cl溶液和CH₃COONH₄溶液（中性）．請結合平衡原理和必要的文字解釋濾渣C能溶于3mol/L的NH₄Cl溶液的原因Mg（OH）₂（s）在溶液中存在的溶解平衡：Mg（OH）₂（s）?Mg²⁺（aq）+2OH^- （aq），NH₄⁺與OH^-結合生成難電離的NH₃•H₂O，使平衡向正反應方向移動，最終Mg（OH）₂溶解．

Answer 1

分析 （1）根據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到反應焓變；先寫出負極的電極反應，然后根據正極的電極反應=總反應-正極的電極反應；
（2）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根據氯化硅水解生成原硅酸和氯化氫；
②根據難溶物的溶度積來計算；
③依據鋇元素守恒，建立關系式：BaCO₃ ～BaCl₂•2H₂O計算；
④根據外界條件濃度對平衡的影響分析．

解答 解：（1）①Mg（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=MgO（s）△H₁=-601.8kJ/mol
②Mg（s）=Mg（g）△H₂=+75kJ/mol
③Si（s）+O₂（g）=SiO₂（s）△H₃=-859.4kJ/mol
依據蓋斯定律②+③-①×2得到：2MgO（s）+Si（s）=SiO₂（s）+2Mg（g）△H=+494.2kJ/mol；
電池總反應是：Mg+2NiOOH+2H₂O═Mg（OH）₂+2Ni（OH）₂，負極的電極反應：Mg-2e^-+2H₂O═Mg（OH）₂+2H⁺，正極的電極反應為：NiOOH+H₂O+e-=Ni（OH）₂+OH^-；
故答案為：+494.2kJ/mol；NiOOH+H₂O+e-=Ni（OH）₂+OH^-；
（2）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，水解方程式為：SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl或SiCl₄ +3H₂O=H₂SiO₃↓+4HCl，
故答案為：SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl或SiCl₄ +3H₂O=H₂SiO₃↓+4HCl； 
②若加鋇礦粉調節pH=3時，C（H⁺）=1.0×10^-3mol/L，C（OH^-）=$\frac{1×1{0}^{-14}}{1×1{0}^{-3}}$mol/L=1.0×10^-11mol/L，根據氫氧化鐵的溶度積K_sp[Fe（OH）₃]=4.0×10^-38，可知C（Fe³⁺）=$\frac{4.0×1{0}^{-38}}{（1.0×1{0}^{-11}）^{3}}$mol/L=4.0×10^-5mol/L，故答案為：4.0×10^-5mol/L；
③5）10噸含78% BaCO₃的鋇礦粉理論上最多能生成BaCl₂•2H₂O質量xt，
BaCO₃ ～BaCl₂•2H₂O
197        244
10t×78%    x
$\frac{197}{10t×78%}=\frac{244}{x}$ 解得：x=9.66t，而實際上得到8.4噸BaCl₂•2H₂O，則產率為$\frac{8.4t}{9.66t}$×100%=86.9%，
故答案為：86.9%；
④Mg（OH）₂（s）存在的溶解平衡：Mg（OH）₂（s）?Mg²⁺（aq）+2OH^- （aq），NH₄⁺與OH^-結合生成難電離的NH₃•H₂O，使平衡向正反應方向移動，最終Mg（OH）₂溶解，故答案為：Mg（OH）₂（s）在溶液中存在的溶解平衡：Mg（OH）₂（s）?Mg²⁺（aq）+2OH^- （aq），NH₄⁺與OH^-結合生成難電離的NH₃•H₂O，使平衡向正反應方向移動，最終Mg（OH）₂溶解．

點評 本題考查蓋斯定律與焓變的計算、新型電池電極反應式書寫、沉淀溶解平衡的相關計算、關系式法計算．