《2025年高中总复习优化设计高中化学》

5. (2022·广东卷)稀土(RE)包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：

已知：月桂酸(C₁₁H₂₃COOH)熔点为 44℃；月桂酸和(C₁₁H₂₃COO)₃RE 均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持+3 价不变；(C₁₁H₂₃COO)₂Mg 的 Kₛₚ=1.8×10⁻⁸；Al(OH)₃开始溶解时的 pH 为 8.8；有关金属离子沉淀的相关 pH 见下表。

(1) “氧化调 pH”中，化合价有变化的金属离子是____。
(2) “过滤 1”前，用 NaOH 溶液调 pH 至4.7～6.2的范围内，该过程中 Al³⁺发生反应的离子方程式为Al³⁺+3OH⁻=Al(OH)₃↓。
(3) “过滤 2”后，滤饼中检测不到 Mg 元素，滤液 2 中 Mg²⁺浓度为 2.7 g·L⁻¹。为尽可能多地提取 RE³⁺，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤 2”前的溶液中 c(C₁₁H₂₃COO⁻)低于4.0×10⁻⁴mol·L⁻¹(保留两位有效数字)。
(4) ①“加热搅拌”有利于加快 RE³⁺溶出、提高产率，其原因是____。
②“操作 X”的过程为：先冷却结晶，再固液分离。
(5) 该工艺中，可再生循环利用的物质有MgSO₄(写化学式)。
(6) 稀土元素钇(Y)可用于制备高活性的合金类催化剂 Pt₃Y。
① 还原 YCl₃和 PtCl₄熔融盐制备 Pt₃Y 时，生成 1 mol Pt₃Y 转移15mol 电子。
② Pt₃Y/C 用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化 O₂的还原，发生的电极反应为____。

答案：
(1)Fe²⁺
(2)4.7～6.2Al³⁺+3OH⁻=Al(OH)₃↓
(3)4.0×10⁻⁴
(4)①加热可以提高分子运动扩散速度，搅拌增加溶剂与溶质的接触面积，使溶出更彻底，提高溶出速度，提高产率②冷却结晶
(5)MgSO₄
(6)①15②O₂+4e⁻+2H₂O=4OH⁻
解析本题涉及氧化还原、去除杂质、溶度积常数的应用等，题目难度中等，注意根据题意写出有关反应的方程式，做题时注意根据物质的性质正确判断反应物和生成物，用守恒的方法去书写离子方程式。
(1)由题干信息可知，原料矿物中含铁、铝及稀土元素。浸取液中稀土离子保持+3价不变，镁离子、铝离子无还原性。故"氧化调pH"中，二价铁离子被氧化为三价铁离子。
(2)"过滤1"的目的是除掉溶液中的铝离子和铁离子。故在过滤前，应使铝离子和铁离子完全沉淀，又不能使稀土离子沉淀。由表格可知，pH为4.7～6.2时，铁离子和铝离子沉淀完全，稀土离子尚未沉淀。铝离子沉淀的离子方程式为Al³⁺+3OH⁻=Al(OH)₃↓。
(3)"过滤2"后，滤饼中检测不到镁元素，说明加入月桂酸钠后，月桂酸根离子未与镁离子结合生成沉淀，而是与稀土离子结合生成沉淀。故为保证镁离子恰好不沉淀，根据月桂酸镁的Kₛₚ公式，有c(C₁₁H₂₃COO⁻)=4.0×10⁻⁴mol·L⁻¹。
(4)根据题干信息可知，月桂酸的熔点为44℃，而加热搅拌阶段的温度为55℃。故为了分离月桂酸与RECl₃溶液，需要冷却至44℃以下，待月桂酸完全结晶再进行固液分离。
(5)根据
(3)题干信息，"过滤2"操作后，滤饼中不存在镁离子，故镁离子仍以MgSO₄的形式存在于滤液2中，可再次酸化循环利用。
(6)①由题干信息可知，稀土元素化合价不易发生变化。故YCl₃中Y元素为+3价，PtCl₄中Pt元素为+4价，Pt₃Y中Y为+3价，Pt为-1价。所以Pt元素化合价降低，Cl元素化合价应升高生成氯气。故该反应的化学方程式为2YCl₃+6PtCl₄=2Pt₃Y+15Cl₂↑，生成1molPt₃Y转移电子15mol。
②由题意知，Pt₃Y/C是催化剂，不参与反应。氢氧燃料电池的正极反应为氧气得电子，在碱性条件下生成氢氧根离子，故电极反应应为O₂+4e⁻+2H₂O=4OH⁻。