Question

【題目】元素鈰(Ce)是一種重要的稀土元素。

(1) 工業(yè)上用氟碳鈰礦(主要成分為CeFCO3)制備CeO2。焙燒過(guò)程中發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。

(2) 已知CeCl3·7H2O在空氣中易被氧化成四價(jià)鈰，反應(yīng)如下：

① CeCl3·7H2O(s)=CeCl3(s)＋7H2O(g)；ΔH1＝a kJ·mol－1

② 4CeCl3(s)＋O2(g)＋14H2O(g)=4Ce(OH)4(s)＋12HCl(g)；ΔH2＝b kJ·mol－1

③ Ce(OH)4(s)=CeO2(s)＋2H2O(g)；ΔH3＝c kJ·mol－1

則4CeCl3·7H2O(s)＋O2(g)=4CeO2(s)＋12HCl(g)＋22H2O(g)；ΔH＝________。

(3) CeO2是汽車(chē)尾氣凈化催化劑中最重要的助劑，工作原理如圖1所示。寫(xiě)出過(guò)程1發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________。

(4) 已知Ce(OH)4極易分解，用如圖2所示裝置電解CeCl3溶液在陰極區(qū)制得CeO2。電解過(guò)程中反應(yīng)體系的pH隨時(shí)間t的變化曲線如圖3所示。

①電解進(jìn)行1h內(nèi)溶液的pH迅速下降，可能原因是________。

②請(qǐng)解釋生成CeO2的原理：________。

(5) 常溫下，當(dāng)溶液中某離子濃度≤1.0×10－5時(shí)，可認(rèn)為該離子沉淀完全。用Na2C2O4溶液對(duì)電解后的廢液處理得到Ce2(C2O4)3固體，則應(yīng)保持溶液中c(C2O42－)約為________。(已知25 ℃時(shí)，Ksp[Ce2(C2O4)3]＝1.0×10－25)

Answer 1

【答案】4CeFCO3＋4NaHCO3＋O2 4NaF＋4CeO2＋8CO2＋2H2O (4a＋b＋4c) kJ·mol－1 xCO＋CeO2=CeO(2－x)＋xCO2 產(chǎn)生的Cl2發(fā)生反應(yīng)Cl2＋H2OHCl＋HClO。由于生成了HCl，使反應(yīng)體系的pH迅速下降 陽(yáng)極電解產(chǎn)生的Cl2把Ce3＋氧化成Ce4＋。同時(shí)與陰極電解產(chǎn)生OH－離子反應(yīng)生成Ce(OH)4，然后再分解生成CeO2[或者Ce3＋與陰極電解產(chǎn)生的OH－反應(yīng)生成Ce(OH)3，Ce(OH)3再被陽(yáng)極電解產(chǎn)生的Cl2氧化成Ce(OH)4，然后再分解生成CeO2] 1.0×10－5 mol·L－1

【解析】

(1)焙燒過(guò)程中，CeFCO3和加入的NaHCO3反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成CeO2和二氧化碳，焙燒過(guò)程O2參加反應(yīng)，根據(jù)物料守恒和得失電子守恒寫(xiě)出主要反應(yīng)的方程式；

(2)利用蓋斯定律，分析計(jì)算目標(biāo)反應(yīng)焓變；

(3)過(guò)程1中，CeO2和一氧化碳反應(yīng)生成二氧化碳CeO(2-x)，據(jù)此書(shū)寫(xiě)方程式；

(4)根據(jù)電解過(guò)程中陰陽(yáng)極電極上的產(chǎn)物分析；

(5)利用溶度積常數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)焙燒過(guò)程中，CeFCO3和加入的NaHCO3反應(yīng)轉(zhuǎn)化生成CeO2和二氧化碳，焙燒過(guò)程O2參加反應(yīng)，根據(jù)物料守恒和得失電子守恒，主要反應(yīng)的方程式為：4CeFCO3＋4NaHCO3＋O2 4NaF＋4CeO2＋8CO2＋2H2O；

(2)已知：①CeCl3·7H2O(s)=CeCl3(s)＋7H2O(g)；ΔH1＝a kJ·mol－1

②4CeCl3(s)＋O2(g)＋14H2O(g)=4Ce(OH)4(s)＋12HCl(g)；ΔH2＝b kJ·mol－1

③Ce(OH)4(s)=CeO2(s)＋2H2O(g)；ΔH3＝c kJ·mol－1

則根據(jù)蓋斯定律：①×4+②+③×4，可得4CeCl3·7H2O(s)＋O2(g)=4CeO2(s)＋12HCl(g)＋22H2O(g)；ΔH＝(4a＋b＋4c) kJ·mol－1；

(3)根據(jù)圖1所示，過(guò)程1中CeO2和一氧化碳反應(yīng)生成二氧化碳CeO(2-x)，根據(jù)物料守恒，化學(xué)反應(yīng)方程式為：xCO＋CeO2=CeO(2－x)＋xCO2；

(4) ①如圖2所示裝置，電解CeCl3溶液，陽(yáng)極上電解質(zhì)溶液中氯離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2Cl--2e-=Cl2，產(chǎn)生的Cl2與電解液中的水反應(yīng)生成鹽酸和次氯酸，反應(yīng)方程式為：Cl2+H2OHCl+HClO，使電解質(zhì)溶液酸性增強(qiáng)，pH減��；

②電解CeCl3溶液在陰極區(qū)制得CeO2，電解過(guò)程中，Ce的化合價(jià)升高，被氧化，結(jié)合(4)中分析，陽(yáng)極電解產(chǎn)生的Cl2把Ce3＋氧化成Ce4＋。同時(shí)與陰極電解產(chǎn)生OH－離子反應(yīng)生成Ce(OH)4，結(jié)合已知信息，Ce(OH)4極易分解，生成CeO2[或者Ce3＋與陰極電解產(chǎn)生的OH－反應(yīng)生成Ce(OH)3，Ce(OH)3再被陽(yáng)極電解產(chǎn)生的Cl2氧化成Ce(OH)4，然后再分解生成CeO2]；

(5) 當(dāng)溶液中某離子濃度≤1.0×10－5時(shí)，可認(rèn)為該離子沉淀完全，則Ce3＋完全沉淀時(shí)，溶液中c(Ce3＋)= 1.0×10－5mol/L，Ksp[Ce2(C2O4)3]＝c2(Ce3＋) c3(C2O42－)=1.0×10－25，則c(C2O42－)== 1.0×10－5 mol·L－1。