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

Question

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

Answer 1

【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。