以硼镁矿(2Mg·B2O3·H2O·SiO2)及少量Fe3O4、CaCO3、Al2O3)为原料生产硼酸的工艺流程如下:(1)由于矿粉中含CaCO3,“浸取”时容易
以硼镁矿 (2Mg·B 2 O 3 ·H 2 O·SiO 2 ) 及少量 Fe 3 O 4 、 CaCO 3 、 Al 2 O 3 ) 为原料生产硼酸的工艺流程如下:
(1) 由于矿粉中含 CaCO 3 , “ 浸取 ” 时容易产生大量泡沫使物料从反应器中溢出,应采取的措施为 _____ 。
(2) “ 浸出液 ” 显酸性,含有 H 3 BO 3 、 Mg 2 + 和 ,还含有 Fe 2 + 、 Fe 3 + 、 Ca 2 + 、 Al 3 + 等杂质。 “ 除杂 ” 时,向浸出液中依次加入适量目 H 2 O 2 和 MgO ,可以除去的杂质离子为 _________ , H 2 O 2 的作用为 _________( 用离子方程式表示 ) 。
(3) “ 浸取 ” 后,采用 “ 热过滤 ” 的目的为 _______ 。
(4) “ 母液 ” 可用于回收硫酸镁,已知硫酸镁的溶解度随温度变化的曲线如图所示,且溶液的沸点随压强增大而升高。为了从 “ 母液 ” 中充分回收 MgSO 4 ·H 2 O ,应采取的措施是将 “ 母液 ” 蒸发浓缩, ____ 。
(5) 已知 25 ℃时,硼酸 ( H 3 BO 3 ) 溶液中存在如下平衡:
H 3 BO 3 (aq) + H 2 O(l) [B(OH) 4 ] - (aq) + H + (aq) K =5.7×10 - 10 ;
25 ℃ 时, 0.7 mol·L - 1 硼酸溶液中 c (H + )≈mol·L - 1 。
(6) 已知 25 ℃时:
化学式 | H 2 CO 3 | CH 3 COOH |
电离常数 | K 1 =4.4×10 - 7 K 2 =4.7×10 - 11 | K =1.75×10 - 5 |
下列说法正确的是 _____________( 填选项字母 ) 。
A. 碳酸钠溶液滴入硼酸溶液中能观察到有气泡产生
B. 碳酸钠溶液滴入醋酸溶液中能观察到有气泡产生
C. 等浓度碳酸溶液和硼酸溶液的 pH :前者>后者
D. 等浓度碳酸钠溶液和醋酸钠溶液的 pH :前者>后者
【答案】 (1) 分批慢慢加入硫酸 ( 或边加入边搅拌 )
(2)Fe 3 + 、 Fe 2 + 、 Al 3 + ; 2Fe 2 + + 2H + + H 2 O 2 2Fe 3 + + 2H 2 O
(3) 防止因温度下降时 H 3 BO 3 从溶液中析出
(4) 加压升温结晶 ( 或加压升温结晶过滤 )
(5)2×10 - 5
(6)BD
【解析】本题考查了工业生产硼酸的工艺流程分析及有关问题。 (1) 浸取矿粉时,矿粉中含有石灰石,如果一次加入硫酸,会导致碳酸钙分解产生大量气泡,为防止大量气泡产生,可以控制加入硫酸的量来控制反应,故可以分批慢慢加入硫酸。 (2) 由于铁离子和铝离子能够水解,即 Fe 3+ +3H 2 O Fe(OH) 3 +3H + 、 Al 3+ +3H 2 O Al(OH) 3 +3H + ,用稀硫酸浸取及浸出液呈酸性时,能抑制铁离子和铝离子的水解,加入过氧化氢和氧化镁时,能消耗氢离子、生成水且不引入新的杂质阳离子,即 MgO+2H + Mg 2+ +H 2 O ,减小氢离子浓度,增大溶液 pH 至 3.2 时,促进铁离子水解彻底,即亚铁离子转化为铁离子,铁离子完全沉淀为氢氧化铁,增大溶液 pH 至 5.2 时,促进铝离子水解彻底,即铝离子完全沉淀为氢氧化铝沉淀,因此加入适量过氧化氢和氧化镁除去的杂质离子是 Fe 3+ 、 Fe 2+ 、 Al 3+ 。双氧水是常用的绿色氧化剂,所含氧元素由- 1 价降低为- 2 价,杂质阳离子中只有亚铁离子能被其氧化为铁离子,根据化合价升降,电荷守恒、质量守恒可得离子方程式为 H 2 O 2 +2H + +2Fe 2+ 2Fe 3+ +2H 2 O 。 (3) 浸取时二氧化硅不溶于稀硫酸,浸取反应生成硫酸钙微溶于水,其余物质溶解后变为硼酸、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸镁,根据已知信息, H 3 BO 3 在 20 ℃、 40 ℃、 60 ℃、 100 ℃时的溶解度依次为 5.0g 、 8.7g 、 14.8g 、 40.2g ,为了除去固液混合物中的二氧化硅和硫酸钙,且不能损失硼酸,因此应选择硼酸溶解度最大时的温度,进行趁热过滤,防止温度下降时 H 3 BO 3 从溶液中析出。 (4) 除杂时,所得滤渣的主要成分是氢氧化铁、氢氧化铝,而母液的主要成分是硼酸、硫酸镁;为了从 “ 母液 ” 中充分回收 MgSO 4 •H 2 O ,根据硫酸镁的溶解度随温度变化的曲线的已知信息推断,若蒸发浓缩、冷却结晶得到的是 MgSO 4 •7H 2 O 晶体,因此应该蒸发浓缩,升温结晶;根据溶液的沸点随压强增大而升高的已知条件,为了防止蒸发时液体沸腾,影响结晶,还要加压结晶,防止蒸发浓缩时溶液沸腾,从而得到 MgSO 4 •H 2 O 晶体。 (5)25 ℃ 时, 0.7 mol·L - 1 硼酸溶液中 c (H + )= = =2×10 - 5 mol/L 。 (6) 根据平衡常数可知,酸性为 H 2 CO 3 H 3 BO 3 ,所以碳酸钠溶液滴入硼酸溶液中不能观察到有气泡产生,故 A 错。根据平衡常数可知,酸性 CH 3 COOHH 3 CO 3 ,则碳酸钠溶液滴入醋酸溶液可生成二氧化碳气体,所以能观察到有气泡产生,故 B 正确。根据平衡常数可知,酸性 H 2 CO 3 H 3 BO 3 ,所以碳酸的电离常数大于硼酸,等浓度碳酸溶液和硼酸溶液比较,酸性碳酸大于硼酸, pH :前者小于后者,故 C 错。根据平衡常数可知,酸性 CH 3 COOHH 3 CO 3 ,所以碳酸根离子的水解程度大于醋酸根离子的水解程度,则等浓度碳酸钠溶液和醋酸钠溶液的 pH :前者>后者,故 D 正确。
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