《2025年学霸高考黑题化学人教版》

(2025·河北石家庄二模)稀土元素号称“工业维生素”，以某种氟碳铈矿[主要成分为LnFCO₃(Ln代表稀土元素Ce、Yb、Eu)、Fe₂O₃、SiO₂]等为原料提取稀土元素的工艺流程如下：

已知：常温下，各物质的Kₛₚ如下表所示。

回答下列问题：
(1)基态Ce原子的核外电子排布式为[Xe]4f¹5d¹6s²，则Ce在元素周期表中位于f区。
(2)已知：MgCl₂·6H₂O受热分解产生Mg(OH)Cl和HCl；Mg(OH)Cl和HCl进一步与LnFCO₃反应得到LnCl₃和MgF₂。写出Mg(OH)Cl和HCl与CeFCO₃发生反应的化学方程式2CeFCO₃ + Mg(OH)Cl + 5HCl$\xlongequal{高温}$2CeCl₃ + MgF₂ + 3H₂O + 2CO₂。
(3)“酸浸”时，浸渣的成分为SiO₂、MgF₂(填化学式)。
(4)“氧化沉铈”时，只有Ce元素被氧化。该过程中Ce³⁺发生反应的离子方程式为4Ce³⁺ + O₂ + 6H₂O$\xlongequal{}$4CeO₂↓ + 12H⁺。
(5)若缺少“还原”步骤，可能造成的影响为Yb³⁺和Eu³⁺共沉淀，无法分离(合理答案即可)。
(6)“沉镱”时，当Yb³⁺沉淀完全时[c(Y³⁺)＜1×10⁻⁵mol·L⁻¹]，应调节溶液的pH不低于8。
(7)“沉镱”时，否(填“能”或“否”)用NaOH溶液代替氨水，调节NH₄Cl溶液的pH；解释其原因为氨水与Eu²⁺形成[Eu(NH₃)₂]²⁺，可降低游离Eu²⁺的浓度，否则Yb³⁺和Eu³⁺共沉淀。

答案： 巩固训练2
(1)f
(2)2CeFCO₃ + Mg(OH)Cl + 5HCl$\xlongequal{高温}$2CeCl₃ + MgF₂ + 3H₂O + 2CO₂
(3)SiO₂、MgF₂
(4)4Ce³⁺ + O₂ + 6H₂O$\xlongequal{}$4CeO₂↓ + 12H⁺
(5)Yb³⁺和Eu³⁺共沉淀，无法分离(合理答案即可)
(6)8
(7)否 氨水与Eu²⁺形成[Eu(NH₃)₂]²⁺，可降低游离Eu²⁺的浓度，否则Yb³⁺和Eu³⁺共沉淀
解题思路
以氟碳铈矿为原料提取稀土元素的工艺流程为：先将氟碳铈矿加入MgCl₂·6H₂O混合高温焙烧，再将焙烧后的物质加盐酸酸浸，其中稀土元素和Fe₂O₃转化为离子，过滤进行分离，难溶于盐酸的SiO₂和MgF₂形成浸渣除去，舍弃稀土金属离子和Fe³⁺的滤液，加入P204有机萃取剂进行萃取除铁得到含稀土金属离子的水相溶液，通入O₂将Ce元素氧化为CeO₂过滤除去，剩余液体中加单质Zn为Eu³⁺还原为Eu²⁺后，再加入氨水和NH₄Cl沉淀铕元素为Yb(OH)₃过滤分离，最后得到含[Eu(NH₃)₂]Cl₂的溶液。
解析:
(1)根据基态Ce原子的核外电子排布式为[Xe]4f¹5d¹6s²，Ce属于镧系元素，故Ce在元素周期表中位于f区。
(2)根据题干所给信息：MgCl₂·6H₂O受热分解生成Mg(OH)Cl和HCl；Mg(OH)Cl和HCl进一步与LnFCO₃反应得到LnCl₃和MgF₂，则Mg(OH)Cl和HCl与CeFCO₃发生反应的化学方程式为2CeFCO₃ + Mg(OH)Cl + 5HCl$\xlongequal{高温}$2CeCl₃ + MgF₂ + 3H₂O + 2CO₂。
(3)根据分析，酸浸是将焙烧后的物质加盐酸溶解反应，其中稀土元素和Fe₂O₃转化为离子，而浸渣中存在的是加入盐酸酸浸时不溶于盐酸的SiO₂和MgF₂。
(4)“氧化除铈”时，只有Ce元素被通入的O₂氧化为CeO₂，则反应的离子方程式为4Ce³⁺ + O₂ + 6H₂O$\xlongequal{}$4CeO₂↓ + 12H⁺。
(5)根据已知表格的溶度积常数可知：$K_{sp}[Yb(OH)_{3}]=1.0×10^{-23}$与$K_{sp}[Eu(OH)_{3}]=3.0×10^{-23}$比较接近，而$K_{sp}[Eu(OH)_{2}]=3.0×10^{-16}$大得多，所以不将Eu³⁺还原为Eu²⁺即缺少“还原”步骤，则在浸镱时会出现Yb³⁺和Eu³⁺共沉淀，无法分离的情况。
(6)要使Yb³⁺沉淀完全时$c(Yb^{3 + })＜1×10^{-5}mol· L^{-1}$，根据$K_{sp}[Yb(OH)_{3}]=1.0×10^{-23}$可得$K_{sp}[Yb(OH)_{3}]=c(Yb^{3 + })· c^{3}(OH^{-})=1.0×10^{-23}\Rightarrow c^{3}(OH^{-})=\frac{1.0×10^{-23}}{1.0×10^{-5}}=1.0×10^{-18}$，解得$c(OH^{-})=1.0×10^{-6}mol· L^{-1}$，得到$c(H^{+})=\frac{K_{w}}{c(OH^{-})}=\frac{1.0×10^{-14}}{1.0×10^{-6}}=1.0×10^{-8}mol· L^{-1}$，得到pH = 8，所以要使Yb³⁺沉淀完全时$c(Y^{3 + })＜1×10^{-5}mol· L^{-1}$，应调节溶液的pH不低于8。
(7)在沉镱时采用氨水和NH₄Cl的原因是利用氨水与Eu²⁺形成[Eu(NH₃)₂]²⁺，可降低游离Eu²⁺的浓度，促使Yb元素充分沉淀为Yb(OH)₃过滤分离，如采用NaOH溶液代替氨水、NH₄Cl调节溶液的pH，则可能会出现Yb³⁺和Eu³⁺共沉淀的情况。