Question

5．多晶硅（硅单质的一种）被称为“微电子大厦的基石”，制备中副产物以SiCl₄为主，它环境污染很大，能遇水强烈水解，放出大量的热．研究人员利用SiCl₄水解生成的盐酸和钡矿粉（主要成分为BaCO₃，且含有铁、镁等离子）制备BaCl₂•2H₂O，工艺流程如下：
已知：
①常温下Fe³⁺、Mg²⁺完全沉淀的pH分别是3.4、12.4
②BaCO₃的相对分子质量是197；BaCl₂•2H₂O的相对分子质量是244
回答下列问题：
（1）SiCl₄发生水解反应的化学方程式为SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl．
（2）用H₂还原SiCl₄蒸汽可制取纯度很高的硅，当反应中有1mol电子转移时吸收59KJ热量，则该反应的热化学方程式为SiCl₄（s）+2H₂（g）=Si（s）+4HCl（g）△H=+236kJ/mol．
（3）加钡矿粉并调节pH=7的目的是①使BaCO₃转化为BaCl₂，②使Fe³⁺完全沉淀生成氢氧化铁沉淀．
（4）过滤②后的滤液中Fe³⁺浓度为2.2×10^-17mo/L（滤液温度25℃，K_sp[Fe（OH）₃]=2.2×10^-38）．
（5）生成滤渣A的离子方程式Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓．
（6）列式计算出10吨含78.8% BaCO₃的钡矿粉理论上最多能生成BaCl₂•2H₂O的质量为多少吨？

Answer 1

分析 流程分析可知四氯化硅控制温度40°C，加入水水解生成原硅酸和氯化氢，过滤得到盐酸溶液，加入钡矿粉主要成分为BaCO₃，且含有铁、镁等离子，调节溶液pH=7，使BaCO₃转化为BaCl₂，同时使Fe³⁺完全沉淀，过滤得到滤渣为氢氧化铁，滤液加入氢氧化钠溶液调节溶液pH=12.5，控制70°C，得到氢氧化镁沉淀，过滤得到滤液为氯化钡溶液蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到氯化钡晶体；
（1）氯化硅水解生成原硅酸和氯化氢；
（2）依据热化学方程式书写方法得到由SiCl₄制备硅的热化学方程式，注意焓变的计算；
（3）pH=3.4时，三价铁离子转化为氢氧化铁，当调节PH=7时能促使三价铁离子沉淀完全；
（4）依据溶度积常数计算；
（5）根据氢氧化铁和氢氧化镁完全沉淀所需溶液的PH值确定滤渣A的成分；
（6）依据钡元素守恒关系计算得到．

解答 解：（1）氯化硅水解生成原硅酸和氯化氢，水解方程式为：SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl，故答案为：SiCl₄+4H₂O=H₄SiO₄↓+4HCl；
（2）用H₂还原SiCl₄蒸气可制取纯度很高的硅，当反应中有1mol电子转移时吸收59KJ热量，转移4mol电子吸收热量236KJ，反应的热化学方程式：SiCl₄（s）+2H₂（g）=Si（s）+4HCl（g）△H=+236kJ/mol，
故答案为：SiCl₄（s）+2H₂（g）=Si（s）+4HCl（g）△H=+236kJ/mol；
（3）pH=3.4时，三价铁离子完全生成沉淀，使Fe³⁺完全沉淀；盐酸和碳酸钡反应生成氯化钡和二氧化碳、水，加钡矿粉并调节pH=7的作用是使BaCO₃转化为BaCl₂，同时使使Fe³⁺完全沉淀，
故答案为：使BaCO₃转化为BaCl₂；使Fe³⁺完全沉淀生成氢氧化铁沉淀；
（4）pH=7溶液中铁离子全部沉淀，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；
故答案为：2.2×10^-17mo/L；
（5）当pH=3.4时，铁离子完全生成沉淀，当pH=12.4时，镁离子完全沉淀生成氢氧化镁，Mg（OH）₂，所以当pH=12.5时，滤渣A的成分是氢氧化镁，反应的离子方程式为：Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓，故答案为：Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓；
（6）10吨含78.8% BaCO₃的钡矿粉制备BaCl₂•2H₂O，结合钡元素守恒得到，
BaCO₃ ～BaCl₂•2H₂O
197        244
10t×78.8%   m
理论上最多能生成BaCl₂•2H₂O的质量m=10t×78.8%×$\frac{244}{197}$=9.76t，
答：质量为9.76t．

点评 本题考查了BaCl₂•2H₂O制备实验方案的设计方法，题目难度中等，为高考的热点，正确理解制备流程、反应原理为解答关键，涉及了制备方案的设计、热化学方程式、离子方程式书写，试题充分考查了学生的分析、理解能力及灵活应用所学知识的能力．