Question

硼酸（H₃BO₃)大量應用于玻璃制造行業，以硼鎂礦（2MgO?B₂O₃?H₂O、SiO₂及少量Fe₃O₄、CaCO₃、Al₂O₃)為原料生產硼酸的工藝流程如下：

已知：H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃時的溶解度依次為5.0g、8.7g、14.8g、40.2g。Fe^{3 +}、Al³⁺、Fe^{2 +}和Mg²⁺以氫氧化物形式完全沉淀時，溶液的pH分別為3. 2、5.2、9.7和12.4。
（1）由于礦粉中含CaCO₃，“浸取”時容易產生大量泡沫使物料從反應器溢出，故應分批加入稀硫酸。該反應的化學方程式為                          。
（2）“浸出液”顯酸性，含H₃BO₃和Mg²⁺、SO₄^2－，還含有Fe^{3 +}、Fe²⁺、Ca²⁺、Al³⁺等雜質。“除雜”時向浸出液中依次加入適量H₂O₂和MgO，除去的雜質離子是        。H₂O₂的作用是                  (用離子方程式表示）。
（3）“浸取”后，采用“熱過濾”的目的是                          。
（4）“母液”可用于回收硫酸鎂，已知硫酸鎂的溶解度隨溫度變化的曲線如下圖，且溶液的沸點隨壓強增大而升高。為了從“母液”中充分回收MgSO₄?H₂O，應采取的措施是將“母液”蒸發濃縮，                          。

Answer 1

32.（16分）
（1）CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑  （3分）
（2）Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺  （3分，每個1分）
H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O （3分）
（3）防止溫度下降時H₃BO₃從溶液中析出（意思相同即可給分。例如：從H₃BO₃溶解度數據可知，溫度較高時，H₃BO₃溶解度較大，不易從溶液中析出。） （3分）
（4）加壓升溫結晶  （4分，加壓、升溫結晶各2分）

解析試題分析：（1）由于硫酸的酸性比碳酸強，則礦粉中的碳酸鈣與加入的稀硫酸能發生復分解反應，生成硫酸鈣、二氧化碳氣體和水，即CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑，粉末狀碳酸鈣及分批加入稀硫酸能加快反應速率、防止微溶的硫酸鈣覆蓋在碳酸鈣固體表面阻止反應的順利進行；根據流程圖及題意可知，浸取時2MgO?B₂O₃?H₂O及少量Fe₃O₄、CaCO₃、Al₂O₃都能溶于稀硫酸，而SiO₂不能溶于稀硫酸；（2）雙氧水是常用的綠色氧化劑，所含氧元素由—1價降低為—2價，雜質陽離子中只有亞鐵離子能被其氧化為鐵離子，即H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O；由于鐵離子和鋁離子能夠水解，即Fe³⁺+3H₂OFe(OH)₃+3H⁺、Al³⁺+3H₂OAl(OH)₃+3H⁺，用稀硫酸浸取及浸出液呈酸性時，能抑制鐵離子和鋁離子的水解，加入過氧化氫和氧化鎂時，能消耗氫離子、生成水且不引入新的雜質陽離子，即MgO+2H⁺=Mg²⁺+H₂O，減小氫離子濃度，增大溶液pH至3.2時，促進鐵離子水解到底，即亞鐵離子轉化為鐵離子，鐵離子完全沉淀為氫氧化鐵，增大溶液pH至5.2時，促進鋁離子水街到底，即鋁離子完全沉淀為氫氧化鋁沉淀，因此加入適量過氧化氫和氧化鎂除去的雜質離子是Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；（3）浸取時二氧化硅不溶于稀硫酸，浸取反應生成硫酸鈣微溶于水，其余物質溶解后變為硼酸、硫酸亞鐵、硫酸鐵、硫酸鎂，根據已知信息，H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃時的溶解度依次為5.0g、8.7g、14.8g、40.2g，為了除去固液混合物中的二氧化硅和硫酸鈣，且不能損失硼酸，因此應選擇硼酸溶解度最大時的溫度，進行趁熱過濾，防止溫度下降時H₃BO₃從溶液中析出；（4）除雜時，所得濾渣的主要成分是氫氧化鐵、氫氧化鋁，而母液的主要成分是硼酸、硫酸鎂；為了從“母液”中充分回收MgSO₄?H₂O，根據硫酸鎂的溶解度隨溫度變化的曲線的已知信息推斷，若蒸發濃縮、冷卻結晶得到的是MgSO₄?7H₂O晶體，因此應該蒸發濃縮，升溫結晶；根據溶液的沸點隨壓強增大而升高的已知條件，為了防止蒸發時液體沸騰，影響結晶，還要加壓結晶，防止蒸發濃縮時溶液沸騰，從而得到MgSO₄?H₂O晶體。
考點：考查物質制備化學工藝流程，涉及硫酸和碳酸的酸性、復分解反應、化學方程式、混合物分離與提純的除雜試劑及原理、根據硼酸的溶解度信息解釋熱過濾的原因、根據溶解度曲線及壓強對溶液沸點的影響選擇制備結晶水化合物的措施等。