Question

11．二氧化鍺被廣泛用于制作高純金屬鍺、鍺化合物、化工催化劑及醫(yī)藥工業(yè)，某工廠用褐煤煙灰（主要成分為C、GeO₂，還有少量Al₂O₃和SiO₂）為原料制備GeO₂，其流程如圖所示：

已知：GeO₂難溶于水和稀鹽酸，不跟水反應(yīng)，是以酸性為主的兩性氧化物，可與強(qiáng)堿溶液生成鍺酸鹽，也可與濃鹽酸生成可溶于水的GeCl₄（GeCl₄的沸點是83.1℃）．
（1）用水浸取焙燒物2小時的目的是為了提高含鍺化合物的浸出率，操作“X”的名稱為蒸餾，該操作除了鐵架臺、牛角管、錐形瓶、石棉網(wǎng)、酒精燈外還缺少的玻璃儀器是蒸餾燒瓶、溫度計、冷凝管．
（2）寫出焙燒時二氧化鍺與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：2NaOH+GeO₂$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$Na₂GeO₃+H₂O．
（3）“酸化”至溶液中鹽酸濃度為5.3mol•L^-1時有利于生成GeCl₄，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：Na₂GeO₃+6HCl=2NaCl+3H₂O+GeCl₄，若濾液“酸化”時酸度不夠，溶液會出現(xiàn)明顯的渾濁，原因是生成了H₂GeO₃（或GeO₂或GeO₂•nH₂O）沉淀．
（4）GeO₂產(chǎn)品中通常混有少量SiO₂．取樣品w g，測得其中氧原子的物質(zhì)的量為n mol，則該樣品中GeO₂的物質(zhì)的量為$\frac{w-30n}{45}$（或$\frac{w}{45}$-$\frac{2}{3}$n）mol（用含w、n的代數(shù)式表示）．

Answer 1

分析 GeO₂難溶于水和稀鹽酸，不跟水反應(yīng)，是以酸性為主的兩性氧化物，褐煤煙灰（主要成分為C、GeO₂，還有少量Al₂O₃和SiO₂）與氫氧化鈉、碳酸鈉焙燒產(chǎn)生二氧化碳，根據(jù)反應(yīng)流程可知，碳酸鈉與二氧化鍺反應(yīng)生成鍺酸鈉和二氧化碳，氫氧化鈉與二氧化鍺反應(yīng)生成鍺酸鈉和水，向焙燒后的產(chǎn)物：鍺酸鈉、Al₂O₃、SiO₂加水浸取2小時，向浸出液中加鹽酸并調(diào)節(jié)PH值，二氧化硅不溶于酸，生成的鋁離子轉(zhuǎn)化成氧氧化鋁沉淀，過濾除去不溶物，繼續(xù)向濾液中加入鹽酸酸化，鍺酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成GeCl₄，GeCl₄的沸點低，通過蒸餾得到GeCl₄，GeCl₄與高純水反應(yīng)生成GeO₂•nH₂O，另一種產(chǎn)物為HCl，GeO₂•nH₂O失水得到GeO₂，據(jù)此分析解答．
（1）水浸取焙燒物的時間較長，可以使焙燒物中含鍺化合物盡可能溶解；GeCl₄的沸點低，通過蒸餾得到GeCl₄；根據(jù)蒸餾實驗分析；
（2）GeO₂難溶于水和稀鹽酸，不跟水反應(yīng)，是以酸性為主的兩性氧化物，可知二氧化鍺與氫氧化鈉反應(yīng)生成鍺酸鈉和水；
（3）GeO₂是一種難溶于水的偏弱酸性的兩性氧化物，類比氫氧化鋁的性質(zhì)，則H₂GeO₃能夠與氯化氫反應(yīng)生成生成物為GeCl₄、NaCl和水；如果酸度不夠，鍺酸鈉與氫離子反應(yīng)生成了生成了H₂GeO₃（或GeO₂或GeO₂•nH₂O），生成了H₂GeO₃（或GeO₂或GeO₂•nH₂O）水中溶解度不大，所以出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象；
（4）設(shè)wg樣品中含SiO₂、GeO₂的物質(zhì)的量分別為x、y，根據(jù)氧原子守恒和質(zhì)量守恒結(jié)合m=nM列式計算．

解答 解：GeO₂難溶于水和稀鹽酸，不跟水反應(yīng)，是以酸性為主的兩性氧化物，褐煤煙灰（主要成分為C、GeO₂，還有少量Al₂O₃和SiO₂）與氫氧化鈉、碳酸鈉焙燒產(chǎn)生二氧化碳，根據(jù)反應(yīng)流程可知，碳酸鈉與二氧化鍺反應(yīng)生成鍺酸鈉和二氧化碳，氫氧化鈉與二氧化鍺反應(yīng)生成鍺酸鈉和水，向焙燒后的產(chǎn)物：鍺酸鈉、Al₂O₃、SiO₂加水浸取2小時，向浸出液中加鹽酸并調(diào)節(jié)PH值，二氧化硅不溶于酸，生成的鋁離子轉(zhuǎn)化成氧氧化鋁沉淀，過濾除去不溶物，繼續(xù)向濾液中加入鹽酸酸化，鍺酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成GeCl₄，GeCl₄的沸點低，通過蒸餾得到GeCl₄，GeCl₄與高純水反應(yīng)生成GeO₂•nH₂O，另一種產(chǎn)物為HCl，GeO₂•nH₂O失水得到GeO₂．
（1）用水浸取焙燒物長達(dá)2小時的目的是為了盡可能使焙燒混合物中的含鍺化合物溶于水，從而提高含鍺化合物的浸出率；GeCl₄的沸點是83.1℃，其沸點較低，從溶液中分離出GeCl₄，可以通過蒸餾操作操作完成；蒸餾要用到的儀器有鐵架臺、牛角管、錐形瓶、石棉網(wǎng)、酒精燈，還要蒸餾燒瓶、溫度計、冷凝管，
故答案為：為了提高含鍺化合物的浸出率；蒸餾；蒸餾燒瓶、溫度計、冷凝管；
（2）GeO₂難溶于水和稀鹽酸，不跟水反應(yīng)，是以酸性為主的兩性氧化物，可知二氧化鍺與氫氧化鈉反應(yīng)生成鍺酸鈉和水，反應(yīng)方程式為：2NaOH+GeO₂$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$Na₂GeO₃+H₂O，
故答案為：2NaOH+GeO₂$\frac{\underline{\;焙燒\;}}{\;}$Na₂GeO₃+H₂O；
（3）GeO₂是一種難溶于水的偏弱酸性的兩性氧化物，類比氫氧化鋁的性質(zhì)，則H₂GeO₃能夠與氯化氫反應(yīng)生成生成物為GeCl₄、NaCl和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Na₂GeO₃+6HCl=2NaCl+3H₂O+GeCl₄；若濾液“酸化”時酸度不夠，Na₂GeO₃與氫離子反應(yīng)生成了生成了H₂GeO₃（或GeO₂或GeO₂•nH₂O），生成了H₂GeO₃（或GeO₂或GeO₂•nH₂O）在水中溶解度較小，所以溶液會出現(xiàn)明顯的渾濁，
故答案為：Na₂GeO₃+6HCl=2NaCl+3H₂O+GeCl₄；生成了H₂GeO₃（或GeO₂或GeO₂•nH₂O）沉淀；
（4）設(shè)wg樣品中含SiO₂、GeO₂的物質(zhì)的量分別為x、y，測得O的物質(zhì)的量為n mol，根據(jù)氧原子守恒可得：2x+2y=n ①，根據(jù)質(zhì)量守恒可得：60x+105y=w②，
聯(lián)①②可得y=$\frac{w-30n}{45}$（或$\frac{w}{45}$-$\frac{2}{3}$n），
故答案為：$\frac{w-30n}{45}$（或$\frac{w}{45}$-$\frac{2}{3}$n）．

點評 本題通過純GeO₂的制備流程，考查了物質(zhì)制備方案的設(shè)計方法，題目難度中等，試題中書寫化學(xué)方程式的知識點較多，解答關(guān)鍵是根據(jù)制備流程正確判斷反應(yīng)物、生成物，然后利用質(zhì)量守恒定律書寫出方程式即可，試題有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力．