Question

10．硼及其化合物在工农业生产中应用广泛．已知：硼镁矿的主要成分为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价；溶于热水后，常用稀硫酸调pH至2～3制取H₃BO₃，该反应的离子方程式为B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃．
X为H₃BO₃晶体加热脱水的产物，其与Mg反应制取粗硼的化学方程式为3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2B+3MgO．
（2）MgCl₂•7H₂O在HCl氛围中加热的原因是防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂．
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机理为Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，则其正极反应式为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⁺的浓度为0.045 mol•L^-1．已知K_sp[Mg（OH）₂]=5.610^-12，当溶液pH=6时，没有（填“有”或“没有”）Mg（OH）₂沉淀析出．
（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（H₂S₂O₃为弱酸）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-）

Answer 1

分析 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中硼镁矿加入氢氧化钠浓溶液过滤得到氯化镁，加入浓盐酸溶解通过蒸发浓缩得到氯化镁结晶水合物，在氯化氢气流中加热得到氯化镁固体，电解得到镁；滤液中主要是NaBO₂，通入适量二氧化碳气体得到硼砂，溶于热后，用H₂SO₄调pH2～3制取H₃BO₃，加热得到B₂O₃；
（1）硼砂的化学式为Na₂B₄O₇•10H₂O，依据元素化合价标注计算硼元素化合价；用H₂SO₄调pH2～3，硼砂中的Na₂B₄O₇在酸溶液中生成H₃BO₃ ；X为H₃BO₃晶体加热脱水的产物得到B₂O₃，镁和得到B₂O₃反应生成氧化镁和硼；
（2）氯化镁在水溶液中水解生成氢氧化镁；惰性电极电解MgCl₂溶液阴极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，合并写出电极反应；
（3）燃料电池中正极上是过氧化氢得到电子生成水；依据电解质溶液PH变化结合电池反应计算镁离子浓度；PH=6计算氢氧根离子浓度，结合生成镁离子浓度计算浓度商和溶度积常数比较分析是否生成氢氧化镁沉淀；
（4）根据关系式B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-及滴定数据计算出粗硼中硼的含量．

解答 解：（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，依据化合价代数和计算得到硼元素化合价为+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，X为H₃BO₃晶体加热脱水的产物是B₂O₃，镁和得到B₂O₃反应生成氧化镁和硼，反应的化学方程式为：3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2B+3MgO，反应中元素化合价降低的做氧化剂，硼元素化合价+3价变化为0价，则B₂O₃做氧化剂；
故答案为：+3；B₄O₇^2-+2H⁺+5H₂O=4H₃BO₃；3Mg+B₂O₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2B+3MgO；
（2）MgCl₂•7H₂O需要在HCl氛围中加热，是为了防止氯化镁水解生成氢氧化镁；若用惰性电极电解MgCl₂溶液，阴极氢离子得到电子生成氢气，水的电离平衡破坏，水电离生成氢氧根离子浓度增大，和镁离子形成氢氧化镁沉淀，合并写出阴极反应式为：2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
故答案为：防止MgCl₂水解生成Mg（OH）₂；2H₂O+Mg²⁺+2e^-=H₂↑+Mg（OH）₂↓；
（3）镁-H₂O₂酸性燃料电池的反应机理为Mg+H₂O₂+2H⁺═Mg²⁺+2H₂O，正极上是过氧化氢得到电子生成水的反应，正极反应式H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；若起始电解质溶液pH=1，则pH=2时溶液中，氢离子浓度减小0.1mol/L-0.01mol/L=0.09mol/L，依据反应方程式得到Mg²⁺离子浓度=0.045mol/L；K_sp[Mg（OH）₂]=5.6×10^-12，当溶液pH=6时，c（OH^-）=10^-8mol/L，则Q_c=c（Mg²⁺）×c²（OH^-）=0.045mol/L×10^-16mol/L=4.5×10^-18＜K_sp[Mg（OH）₂]，说明无氢氧化镁沉淀生成；
故答案为：H₂O₂+2H⁺+2e^-=2H₂O；0.045 mol•L^-1；没有；
（4）硫代硫酸钠的物质的量为：0.30mol/L×0.018L=0.0054mol，I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-，
根据关系式：B～BI₃～$\frac{3}{2}$I₂～3S₂O₃^2-，
n（B）=$\frac{1}{3}$n（S₂O₃^2-）=0.0018mol，
硼的质量为：10.8g/mol×0.0018mol=0.01944g，粗硼中硼的含量为：$\frac{0.01944g}{0.0200g}$×100%=97.2%，
故答案为：97.2%．

点评 本题考查了盐类的水解、原电池原理和电解池原理的分析，沉淀溶解平衡的计算应用，题目难度稍大，计算是难点，计算时要充分利用题目所给数量关系和表中数据，根据质量关系和质量分数的概念快速解题．