Question

6．重鉻酸鈉（Na₂Cr₂O₇•2H₂O）是重要的化工原料，在化學工業(yè)和制藥工業(yè)中常用作氧化劑．可用一種鉻鐵礦（主要成分：FeO•Cr₂O₃，還含有少量的Al₂O₃）通過以下流程來制取重鉻酸鈉如圖1．

回答下列問題：
（1）寫出Cr元素基態(tài)原子的外圍電子排布式3d⁵4s¹．
（2）步驟I中反應的化學方程式為：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），反應中被氧化的元素是Fe、Cr，生成2mol Fe₂O₃時轉移電子的物質的量為28mol．
（3）步驟II中加入NaOH溶液時發(fā)生的化學反應方程式為2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O．
（4）+3、+6價鉻都有很強的毒性，+6價鉻的毒性更高，可誘發(fā)肺癌和鼻咽癌．工業(yè)上常用電解法來處理含Cr₂O₇^2-的廢水，電解裝置模擬示意圖如圖2（電極材料為鐵和石墨）．通電后，Cr₂O₇^2-在b極附近轉變?yōu)镃r³⁺，一段時間后Cr³⁺最終可在a極附近變成Cr（OH）₃沉淀而被除去．a(chǎn)電極的電極材料是石墨，b電極附近生成Cr³⁺的反應的離子方程式是Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O．
（5）將含Cr₂O₃為50%的鉻鐵礦30.4kg，按上述流程制取產(chǎn)品Na₂Cr₂O₇•2H₂O，假設整個流程中鉻元素的利用率為80%，則最終能制得Na₂Cr₂O₇•2H₂O23.84kg．

Answer 1

分析 工業(yè)鉻鐵礦（FeO•Cr₂O₃，含少量Al₂O₃和SiO₂），首先是加入碳酸鈉煅燒，F(xiàn)eO•Cr₂O₃和碳酸鈉在一起作用下發(fā)生氧化還原反應，化學方程式為：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），生成氧化鐵，鉻酸鈉和二氧化碳，加入氫氧化鈉，2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O，除去氧化鋁，將溶液的pH調至7～8并煮沸，NaAlO₂等雜質可以以沉淀的形式除去，水浸過濾后得到Na₂CrO₄溶液，加入硫酸酸化反應為：2Na₂CrO₄+H₂SO₄?Na₂SO₄+Na₂Cr₂O₇+H₂O，通過蒸發(fā)濃縮，冷卻結晶，過濾洗滌得到晶體，鉻渣為Na₂SO₄．
（1）Cr元素為24號元素，原子核外有24個電子，根據(jù)核外電子排布規(guī)律書寫，價電子排布式為外圍電子排布式；
（2）化學反應中有化合價升降的反應是氧化還原反應，還原劑是在反應中所含元素化合價升高的反應物，還原劑中化合價升高的元素被氧化，依據(jù)化學方程式4FeO•Cr₂O₃+8Na₂CO₃+7O₂=2Fe₂O₃+8Na₂CrO₄+8CO₂，分析反應過程中元素化合價變化，計算電子轉移總數(shù)得到；
（3）步驟II中加入NaOH溶液時氧化鋁和氫氧化鈉反應生成溶于水的偏氯酸鈉和水，以便通過調PH以沉淀形式除去；
（4）a連接電源負極，所以a為陰極，連接石墨；b連接電源正極，所以b為電解槽的陽極；陽極鐵發(fā)生氧化反應；
（5）根據(jù)鉻元素守恒分析計算．

解答 解：（1）Cr元素為24號元素，原子核外有24個電子，所以核外電子排布式為：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹，它的外圍電子排布式是3d⁵4s¹，
故答案為：3d⁵4s¹；
（2）步驟I中反應的化學方程式為：4FeO•Cr₂O₃（s）+8Na₂CO₃（s）+7O₂（g）═8Na₂CrO₄（s）+2Fe₂O₃（s）+8CO₂（g），元素的化合價變化為：4個Fe由+2→+3，8個Cr由+3→+6，28個O由0→-2，轉移28e^-，化合價升高的元素被氧化，所以反應中被氧化的元素是Fe、Cr（或鐵、鉻），生成2mol Fe₂O₃時轉移電子的物質的量為28mol，
故答案為：Fe、Cr（或鐵、鉻）；28；
（3）步驟II中加入NaOH溶液時氧化鋁和氫氧化鈉反應：2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O，除去氧化鋁，將溶液的pH調至7～8并煮沸，NaAlO₂等雜質可以以沉淀的形式除去，水浸過濾后得到Na₂CrO₄溶液，
故答案為：2NaOH+Al₂O₃=2NaAlO₂+H₂O；
（4）根據(jù)電解槽圖示可知，a為陰極，a電極的電極材料是石墨，溶液顯示酸性，溶液中氫離子得到電子，發(fā)生還原反應，電極反應為：2H⁺+2e^-=H₂↑，b為陽極，鐵失去電子生成亞鐵離子，亞鐵離子被Cr₂O₇^2-氧化成鐵離子，反應的方程式為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，
故答案為：石墨；Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；
（5）含Cr₂O₃為50%的鉻鐵礦30.4kg，含Cr₂O₃質量為30.4×10⁶×50%g，流程中鉻元素的利用率為80%，根據(jù)鉻元素守恒，則最終能制得Na₂Cr₂O₇•2H₂O：$\frac{30.4×1{0}^{6}×50%g}{152g/mol}×2×298g/mol$×80%=23.84kg，
故答案為：23.84．

點評 本題考查了重鉻酸鈉制備的流程分析判斷，物質性質和實驗操作的分析應用，掌握電解原理、氧化還原反應原理、物質的分離提純方法是解題關鍵，題目難度中等，側重于考查學生的實驗能力、分析問題、解決問題的能力．