Question

【題目】二氧化鈰(CeO2)是一種重要的稀土化合物。以氟碳鈰礦(主要含CeCO3F)為原料制備CeO2的一種工藝流程如下：

已知：i.Ce4+能與Fˉ結合成[CeFx](4-x)+，也能與SO42-結合成[CeSO4]2+；

ⅱ.在硫酸體系中Ce4+能被萃取劑[(HA)2]萃取，而Ce3+不能

ⅲ.常溫下，Ce2(CO3)3飽和溶液濃度為1.0×10-6mol·L-1。

回答下列問題：

（1）“氧化焙燒”過程中可以加快反應速率和提高原料利用率的方法是__________、__________ (寫出2種即可)。

（2）寫出“氧化焙燒”產物CeO2與稀H2SO4反應的離子方程式：__________。

（3）“萃取”時存在反應：Ce4++n(HA)2Ce(H2n-4A2n)+4H+。D表示Ce4+分別在有機層中與水層中存在形式的濃度之比(D=)。保持其它條件不變，在起始料液中加入不同量的Na2SO4以改變水層中的c(SO42-)，D隨起始料液中c(SO42-)增大而減小的原因是_____________。

（4）浸渣經處理可得Ce(BF4)3，加入KCl溶液發生如下反應：

Ce(BF4)3(s)+ 3K+(aq) 3KBF4(s)+ Ce3+(aq)。

若一定溫度時，Ce(BF4)3、KBF4的Ksp分別為a、b，則該反應的平衡常數K=__________(用a、b表示)。

（5）“反萃取”中加H2O2的主要反應離子方程式為__________。在“反萃取”后所得水層中加入1.0mol·L-1的NH4HCO3溶液，產生Ce2(CO3)3沉淀，當Ce3+沉淀完全時[c(Ce3+)=1×10-5mol·L-1]，溶液中c(CO32-)約為__________。

（6）CeO2是汽車尾氣凈化催化劑的關鍵成分，它能在還原氣氛中供氧，在氧化氣氛中耗氧。在尾氣消除過程中發生著CeO2CeO2(1-x)+xO2↑(0≤x≤0.25)的循環。寫出CeO2消除CO尾氣的化學方程式：___________。

Answer 1

【答案】 礦石粉碎成細顆粒 通入大量空氣 CeO2+4H++SO42-=[CeSO4]2++2H2O 隨著c(SO42-)增大，水層中Ce4+被SO42-結合成[CeSO4]2+,導致萃取平衡向生成[CeSO4]2+方向移動，D迅速減小 2Ce4++H2O2=2Ce3++O2↑+2H+ 1×10-6mol/L 2xCO+CeO2=CeO2(1-x)+2xCO2

【解析】試題分析：本題以氟碳鈰礦為原料制備CeO2的流程為載體，考查流程的分析，指定情境下方程式的書寫，外界條件對化學反應速率和化學平衡的影響，溶度積和平衡常數的計算。

（1）“氧化焙燒”過程中可以加快反應速率和提高原料利用率的方法是：將礦石粉碎成細顆粒，增大接觸面積；通入大量空氣。

（2）根據題給已知“Ce4+能與SO42-結合成[CeSO4]2+”，CeO2與稀H2SO4反應的離子方程式為CeO2+4H++SO42-=[CeSO4]2++2H2O。

（3）“萃取”時存在反應：Ce4++n（HA）2Ce（H2n-4A2n）+4H+，加入Na2SO4，隨著c（SO42-）增大，水層中Ce4+與SO42-結合成[CeSO4]2+，導致萃取平衡向左移動，即向生成[CeSO4]2+方向移動，D迅速減小。

（4）反應Ce（BF4）3（s）+ 3K+（aq）3KBF4（s）+ Ce3+（aq）的平衡常數K====。

（5）“萃取”后的有機層中為Ce4+，根據流程，加入H2O2將Ce4+還原成Ce3+，則H2O2被氧化成O2，反應寫成Ce4++H2O2→Ce3++O2↑，根據得失電子守恒配平為2Ce4++H2O2→2Ce3++O2↑，結合原子守恒、電荷守恒以及溶液呈酸性，寫出離子方程式為2Ce4++H2O2=2Ce3++O2↑+2H+。Ce2（CO3）3飽和溶液的濃度為1.010-6mol/L，Ce2（CO3）3的溶解平衡為：Ce2（CO3）3（s）2Ce3+（aq）+3CO32-（aq），則飽和溶液中c（Ce3+）=2.010-6mol/L、c（CO32-）=3.010-6mol/L，Ksp[Ce2（CO3）3]=c2（Ce3+）·c3（CO32-）=（2.010-6）2（3.010-6）3=1.0810-28；當Ce3+沉淀完全時，c3（CO32-）===1.0810-18，c（CO32-）=1.02610-6mol/L1.010-6mol/L。

（6）根據題意，“CeO2是汽車尾氣凈化催化劑的關鍵成分，它能在還原氣氛中供氧，在氧化氣氛中耗氧。”CO具有還原性，CeO2消除CO尾氣時應供氧，反應的化學方程式為CeO2+2xCO=CeO2（1-x）+2xCO2。