Question

二氧化铈(CeO₂) 是一种重要的稀土化合物，汽车尾气用稀土/钯三效催化剂处理，不仅可以降低催化剂的成本，还可以提高催化效能。以氟碳铈矿(主要成分为CeCO₃F) 为原料制备CeO₂的一种工艺流程如下:

已知i.Ce⁴⁺能与F^-结合成CeF_x^(4-x)+，也能与SO₄^2-结合成(CeSO₄)²⁺；

ⅱ.在硫酸体系中Ce⁴⁺能被萃取剂[(HA)₂]萃取:Ce⁴⁺+n(HA)₂CeH_2n-4A_2n)+4H⁺，而Ce³⁺ 则不能。

回答下列问题:

（1）CeCO₃F 中铈元素的化合价为_____，“氧化焙烧”过程中可以加快反应速率的方法是_____(答出两点即可)。

（2）“萃取”时，选用(HA)₂作为萃取剂，(HA)₂需满足的条件是________；“萃取”后的水层中含有的主要阴离子是________。

（3）“反萃取”时加入H₂SO₄的作用是__________；加入H₂O₂的作用是_______(结合离子方程式说明)

（4） 浸渣经处理可得Ce(BF₄)₃，在KCl溶液中加入Ce(BF₄)₃，发生如下反应:Ce(BF₄)₃(s)+3K⁺(aq)3KBF₄(s)+Ce³⁺(aq)

一定温度时，Ce(BF₄)₃、KBF₄的Ksp分别为a、b，若上述反应体系中K⁺的物质的量浓度为cmol/L，则Ce³⁺的物质的量浓度为______mol/L。

Answer

+3 将矿石粉碎，增大接触面积；提高焙烧温度；增大氧气（或空气）浓度 (HA)2不溶于水，且与水不反应 F-、SO42- 增大平衡体系Ce4++n(HA)2Ce(H2n-4A2n)+4H+中c(H+)，同时SO42-与Ce4+结合生成(CeSO4)2+，促使平衡逆向移动，有利于“反萃取”的进行[或：增大平衡体系(CeSO4)2++n(HA)2Ce(H2n-4A2n)+4H++ SO42-中c(H+)和c(SO42-)，促使平衡逆向移动，有利于“反萃取”的进行] 将+4价铈还原成+3价铈：2(CeSO4)2++H2O2=2Ce3++2SO42-+2H++O2↑（或2Ce4++H2O2=2Ce3++2H++O2↑），Ce3+不能被萃取，有利于Ce3+进入水层而分离 ac3/b3

【解析】（1）CeCO3F 中C元素+4价，O元素-2价，F元素-1价，根据化合价代数和为零的原则，得出铈元素的化合价为+3价；“氧化焙烧”过程中加快反应速率的方法有：将将矿石粉碎，增大接触面积；适当提高焙烧温度；增大氧气（或空气）浓度；

（2）利用溶质在两种互不相溶的溶剂中溶解度不同，使一种溶质从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中的过程，选用(HA)2作为萃取剂，(HA)2需满足的条件是：(HA)2不溶于水，且与水不反应，Ce4+易溶于(HA)2；氧化焙烧过程中CO32-生成CO2气体，所以“萃取”后的水层中含有的主要阴离子是：F-、SO42-；

（3）根据信息：Ce4+能与SO42-结合成(CeSO4)2+，在硫酸体系中Ce4+能被萃取剂[(HA)2]萃取，发生如下反应 (CeSO4)2++n(HA)2Ce(H2n-4A2n)+4H++ SO42-，该反应是可逆反应，

所以，加入H2SO4，c(H+)和c(SO42-)都增加，促使平衡逆向移动，有利于“反萃取”的进行，因此：“反萃取”时加入H2SO4的作用是：促使平衡逆向移动，有利于“反萃取”的进行；加入H2SO4以后，Ce4+的离子浓度增大，题干中需要Ce3+，加入H2O2可以将+4价铈还原成+3价铈，即：2Ce4++H2O2=2Ce3++2H++O2↑，根据信息：在硫酸体系中Ce3+ 不能被(HA)2萃取进入有机层，有利于Ce3+进入水层而分离，所以加入H2O2的作用是：将+4价铈还原成+3价铈Ce3+不能被萃取，有利于Ce3+进入水层而分离；

（4）Ce(BF4)3、KBF4的Ksp表达式分别是：Ksp［Ce(BF4)3］=C（Ce3+）·C3（BF4-）=a，Ksp［KBF4］=C（K+）·C（BF4-）=b，C（K+）=cmol/L，C（BF4-）=b/c， C（Ce3+）=ac3/b3