Question

10．已知：硼镁矿主要成分为Mg₂B₂O₅•H₂O，硼砂的化学式为Na₂B₄O₇•10H₂O．利用硼镁矿制取金属镁及粗硼的工艺流程为：

回答下列有关问题：
（1）硼砂中B的化合价为+3，将硼砂溶于热水后，常用稀H₂SO₄调pH=2～3制取H₃BO₃，该反应的离子方程式为B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃．
（2）MgCl₂•7H₂O需要在HCl氛围中加热，其目的是抑制MgCl₂的水解．若用惰性电极电解MgCl₂溶液，其阴极反应式为2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓．
（3）镁-H₂O₂酸性燃料电池的反应原理为 Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，则正极反应式为H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O．常温下，若起始电解质溶液pH=1，则pH=2时，溶液中Mg²⁺浓度为0.045 mol•L^-1_．当溶液pH=6时，没有（填“有”或“没有”）Mg（OH）₂沉淀析出（已知K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12）．
（4）制得的粗硼在一定条件下生成BI₃，BI₃加热分解可以得到纯净的单质硼．现将0.020g粗硼制成的BI₃完全分解，生成的I₂用0.30mol•L^-1Na₂S₂O₃溶液滴定至终点，消耗Na₂S₂O₃溶液18.00mL．该粗硼样品的纯度为97.2%（提示：I₂+2S₂O₃^2-═2I^-+S₄O₆^2-）（结果保留一位小数）．

Answer 1

分析 硼镁矿加入氢氧化钠浓溶液，过滤得到滤渣为氢氧化镁，滤渣中加入浓盐酸溶解，通过蒸发浓缩得到氯化镁结晶水合物，防止氯化镁水解，在氯化氢气流中加热得到氯化镁固体，电解熔融的氯化镁得到镁；滤液中主要是NaBO₂，通入适量二氧化碳气体得到硼砂，将硼砂溶于热水后，常用稀H₂SO₄调pH=2～3制取H₃BO₃，加热得到B₂O₃．Mg与B₂O₃发生置换反应得到粗硼．
（1）根据化合价代数和为0计算硼砂中B的化合价；用H₂SO₄调pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ；
（2）氯化镁容易水解生成氢氧化镁，HCl可以抑制氯化镁水解；惰性电极电解MgCl₂溶液，阴极发生还原反应，氢离子得到电子生成氢气，水的电离平衡破坏，水电离生成氢氧根离子浓度增大，和镁离子形成氢氧化镁沉淀；
（3）正极发生还原反应，过氧化氢在正极获得电子生成水；根据pH变化计算氢离子浓度变化，结合电池反应式计算镁离子浓度；pH=6时，计算浓度积Qc，与溶度积常数比较判断是否生成氢氧化镁沉淀；
（4）由原子守恒及给出的离子方程式，可得关系式：2B～2BI₃～3I₂～6Na₂S₂O₃，根据关系式计算．

解答 解：硼镁矿加入氢氧化钠浓溶液，过滤得到滤渣为氢氧化镁，滤渣中加入浓盐酸溶解，通过蒸发浓缩得到氯化镁结晶水合物，防止氯化镁水解，在氯化氢气流中加热得到氯化镁固体，电解熔融的氯化镁得到镁；滤液中主要是NaBO₂，通入适量二氧化碳气体得到硼砂，将硼砂溶于热水后，常用稀H₂SO₄调pH=2～3制取H₃BO₃，加热得到B₂O₃．Mg与B₂O₃发生置换反应得到粗硼．
（1）硼砂的化学式为Na₂B₄O₇•10H₂O，钠元素化合价为+1价，氧元素化合价-2价，根据化合价代数和为0，可知硼元素化合价为+3价；用H₂SO₄调pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ，反应的离子方程式为：B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃，
故答案为：+3；B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；
（2）加热MgCl₂•7H₂O时，氯化镁水解生成氢氧化镁，在HCl氛围中加热可以抑制MgCl₂的水解；
惰性电极电解MgCl₂溶液，阴极发生还原反应，氢离子得到电子生成氢气，水的电离平衡破坏，水电离生成氢氧根离子浓度增大，和镁离子形成氢氧化镁沉淀，阴极反应式为：2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
故答案为：抑制MgCl₂的水解；2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
（3）正极发生还原反应，过氧化氢在正极获得电子生成水，正极反应式H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；若起始电解质溶液pH=1，则pH=2时溶液中，氢离子浓度减小0.1mol/L-0.01mol/L=0.09mol/L，由反Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，可知Mg²⁺离子浓度=0.045mol/L；
K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12，当溶液pH=6时，c（OH^-）=10^-8mol/L，则Q_c=c（Mg²⁺）×c²（OH^-）=0.045mol/L×10^-16mol/L=4.5×10^-18＜K_sp[Mg（OH）₂]，说明无氢氧化镁沉淀生成；
故答案为：H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；0.045 mol•L^-1；没有；
（4）硫代硫酸钠的物质的量为：0.30mol/L×0.018L=0.0054mol，根据关系式：2B～2BI₃～3I₂～6Na₂S₂O₃，可知n（B）=$\frac{1}{3}$n（S₂O₃^2-）=0.0018mol，硼的质量为10.81g/mol×0.0018mol=0.01944g，粗硼中硼的含量为：$\frac{0.01944g}{0.020g}$×100%=97.2%，
故答案为：97.2%．

点评 本题考查物质制备工艺流程，涉及对操作的分析评价、电解原理与计算、溶度积有关计算、物质含量测定等，整个问题中只有（1）中调节pH与工艺流程有关，其问题就能无关，是对学生综合能力的考查，难度中等．