Question

20．硼、鎂及其化合物在工農業生產中應用廣泛．
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）硼砂溶于熱水后，常用H₂SO₄調pH2～3制取H₃BO₃，反應的離子方程式為B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃．X為H₃BO₃晶體加熱脫水的產物，其與Mg制取粗硼的化學方程式為3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2B+3MgO．
（2）MgCl₂•7H₂O需要在HCl氛圍中加熱，其目的是防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂．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機理為Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，則正極反應式為H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O．若起始電解質溶液pH=1，則pH=2時溶液中Mg²⁺離子濃度為0.045 mol•L^-1．已知Ksp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12，當溶液pH=6時沒有 （填“有”或“沒有”）Mg（OH）₂沉淀析出．
（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．現將    0.020g粗硼制成的BI₃完全分解，生成的I₂用0.30mol•L^-1 Na₂S₂O₃（H₂S₂O₃為弱酸）溶液滴定至終點，消耗Na₂S₂O₃溶液18.00mL．盛裝Na₂S₂O₃溶液的儀器應為堿式滴定管（填“酸式”或“堿式”）．該粗硼樣品的純度為99%．（提示：I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-）

Answer 1

分析 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中硼鎂礦加入氫氧化鈉濃溶液過濾得到氯化鎂，加入濃鹽酸溶解通過蒸發濃縮得到氯化鎂結晶水合物，在氯化氫氣流中加熱得到氯化鎂固體，過電解得到鎂；濾液中主要是NaBO₂，通入適量二氧化碳氣體得到硼砂，溶于熱水后，用H₂SO₄調pH2～3制取H₃BO₃，加熱得到B₂O₃；
（1）用H₂SO₄調pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ，X為H₃BO₃晶體加熱脫水的產物判斷為B₂O₃，與Mg反應生成粗硼和氧化鎂；
（2）氯化鎂在水溶液中水解生成氫氧化鎂；惰性電極電解MgCl₂溶液陰極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，合并寫出電極反應；
（3）燃料電池中正極上是過氧化氫得到電子生成水；依據電解質溶液PH變化結合電池反應計算鎂離子濃度；PH=6計算氫氧根離子濃度，結合生成鎂離子濃度計算濃度商和溶度積常數比較分析是否生成氫氧化鎂沉淀；
（4）硫代硫酸鈉溶液呈堿性，選擇堿式滴定管，根據反應方程式及滴定數據計算出粗硼中硼的含量．

解答 解：（1）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，X為H₃BO₃晶體加熱脫水的產物判斷為B₂O₃，與Mg反應生成粗硼和氧化鎂，反應的化學方程式為3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2B+3MgO，
故答案為：B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2B+3MgO；
（2）MgCl₂•7H₂O需要在HCl氛圍中加熱，是為了防止氯化鎂水解生成氫氧化鎂；若用惰性電極電解MgCl₂溶液，陰極氫離子得到電子生成氫氣，水的電離平衡破壞，水電離生成氫氧根離子濃度增大，和鎂離子形成氫氧化鎂沉淀，合并寫出陰極反應式為：2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
故答案為：防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂；2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
（3）鎂-H₂O₂酸性燃料電池的反應機理為Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，正極上是過氧化氫得到電子生成水的反應，正極反應式H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；若起始電解質溶液pH=1，則pH=2時溶液中，氫離子濃度減小0.1mol/L-0.01mol/L=0.09mol/L，依據反應方程式得到Mg²⁺離子濃度=0.045mol/L；K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12，當溶液pH=6時，c（OH^-）=10^-8mol/L，則Q_c=c（Mg²⁺）×c²（OH^-）=0.045mol/L×10^-16mol/L=4.5×10^-18＜K_sp[Mg（OH）₂]，說明無氫氧化鎂沉淀生成；
故答案為：H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；0.045 mol•L^-1；沒有；
（4）硫代硫酸鈉溶液呈堿性，選擇堿式滴定管；硫代硫酸鈉的物質的量為：0.30mol/L×0.018L=0.0054mol，根據關系式：B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-，n（B）=$\frac{1}{3}$n（S₂O₃^2-）=0.0018mol，
硼的質量為：11g/mol×0.0018mol=0.0198g，粗硼中硼的含量為：$\frac{0.0198g}{0.02g}$×100%=99%，
故答案為：堿式；99%．

點評 本題考查了鹽類的水解、原電池原理和電解池原理的分析，沉淀溶解平衡的計算應用，題目難度稍大，計算是難點，計算時要充分利用題目所給數量關系和表中數據，根據質量關系和質量分數的概念快速解題．