Question

9．氟及其化合物在生产生活中被广泛使用，造福人类．
（1）LiPF₆是锂离子电池中广泛应用的电解质．某工厂用LiF、PCl₅为原料，低温反应制备LiPF₆，其流程如图1

已知：HCl的沸点是-85.0℃，HF的沸点是19.5℃．
①反应设备不能用玻璃材质的原因是SiO₂+4HF=SiF₄↑+2H₂O（用化学方程式表示）．无水HF有腐蚀性和毒性，工厂安全手册提示：如果不小心将HF沾到皮肤上，可立即用2%的NaHCO₃溶液冲洗．
②该流程需在无水条件下进行，第③步反应中PF₅极易水解，其产物为两种酸，写出PF₅水解的化学方程式：PF₅+4H₂O=H₃PO₄+5HF．
③第④步分离采用的方法是过滤；第⑤步分离尾气中HF、HCl采用的方法是冷凝．
（2）工业上制备氟气通常采用电解氧化法，如图2是电解熔融的氟氢化钾（KHF₂）的实验装置：
①已知阴极的电极反应式为2HF₂^-+2e^-═H₂+4F^-，则电解的总反应为2KHF₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$ H₂↑+F₂↑+2KF
②出口1处的物质是F₂（填化学式）．
（3）牙齿表面有一层釉质，其组成为羟基磷灰石Ca₅（PO₄）₃OH（K_sp=6.8×10^-21），容易受到酸的侵蚀，研究表明氟磷灰石Ca₅（PO₄）₃F（K_sp=1.0×10^-37）更能抵抗酸的腐蚀．请用平衡移动原理解释为什么人们常使用含氟牙膏防治蛀牙牙齿表面的羟基磷灰石在水中存在平衡：Ca₅（PO₄）₃OH（s）?5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+OH^-（aq），容易因为酸使上述平衡向右移动而被腐蚀；当加入氟化物时发生反应生成溶解度更小的氟磷灰石：5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+F^- （aq）=Ca₅（PO₄）₃F（s），实现了羟基磷灰石转化为更耐腐蚀的氟磷灰石，因次使用氟化物能防止蛀牙．

Answer 1

分析 （1）①玻璃的主要成分中含有二氧化硅，能和HF发生反应；HF属于弱酸，必须用弱碱性溶液来除去；
②根据元素组成可知，两种酸分别是H₃PO₄和HF；
③分离液体和不溶于液体固体采用过滤分离，HF分子间含有氢键，沸点大于HCl，可采用冷凝法分离；
（2）①阴极的电极反应式为2HF₂^-+2e^-═H+4F^-，阳极发生氧化反应，F^-失去电子生成F₂，整个过程生成H₂、F₂、KF；
②钢电解应为阴极，碳为阳极，阳极生成气体为氟气；
（3）根据沉淀溶解平衡移动分析．

解答 解：（1）①玻璃的主要成分中含有二氧化硅，能和HF发生反应，化学方程式为SiO₂+4HF═SiF₄↑+2H₂O；HF属于弱酸，必须用弱碱性溶液来除去（比如2%的NaHCO₃溶液）；
故答案为：SiO₂+4HF═SiF₄↑+2H₂O；NaHCO₃；
②根据题目中的信息“PF5极易水解，其产物为两种酸”，则根据元素组成可知，两种酸分别是H3PO4和HF，所以反应的方程式为PF₅+4H₂O═H₃PO₄+5HF，
故答案为：PF₅+4H₂O═H₃PO₄+5HF；
③第④步分离的是固体（LiPF₄（s））和液体（HF（l）），所以采用过滤的方法；分离尾气中HF、HCl，可以利用二者沸点的差异（HF分子之间存在氢键）进行分离，所以采用冷凝法，
故答案为：过滤；冷凝；
（2）①阴极的电极反应式为2HF₂^-+2e^-═H+4F^-，阳极发生氧化反应，F^-失去电子生成F₂，整个过程生成H₂、F₂、KF，电解总反应式为 2KHF₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+F₂↑+2KF，故答案为：2KHF₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+F₂↑+2KF；
②钢电解应为阴极，碳为阳极，阳极生成气体为氟气，故出口1处的物质为F₂，
故答案为：F₂；
（3）牙齿表面有一层釉质，其组成为羟基磷灰石Ca₅（PO₄）₃OH（K_sp=6.8×10^-21），羟基磷灰石在水中存在平衡：Ca₅（PO₄）₃OH（s）?5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+OH^-（aq），因为酸使上述平衡向右移动而被腐蚀，当加入氟化物时发生反应生成溶解度更小的氟磷灰石：5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+F^- （aq）=Ca₅（PO₄）₃F（s），实现了羟基磷灰石转化为更耐腐蚀的氟磷灰石，因次使用氟化物能防止蛀牙；
故答案为：牙齿表面的羟基磷灰石在水中存在平衡：Ca₅（PO₄）₃OH（s）?5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+OH^-（aq），因为酸使上述平衡向右移动而被腐蚀；当加入氟化物时发生反应生成溶解度更小的氟磷灰石：5Ca²⁺（aq）+3PO₄^3-（aq）+F^- （aq）=Ca₅（PO₄）₃F（s），实现了羟基磷灰石转化为更耐腐蚀的氟磷灰石，因次使用氟化物能防止蛀牙．

点评 本题为无机化学流程题，该题是高考中的常见题型，属于中等难度的试题．试题综合性强，涉及流程分析、分离提纯、方程式书写、沉淀的转化等知识，注意题干所给信息的使用，侧重对学生实验能力的培养和解题方法的指导，有助于培养学生规范、严谨的实验设计和评价能力．