Question

硼酸（H₃BO₃)大量应用于玻璃制造行业，以硼镁矿（2MgO?B₂O₃?H₂O、SiO₂及少量Fe₃O₄、CaCO₃、Al₂O₃)为原料生产硼酸的工艺流程如下：

已知：H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃时的溶解度依次为5.0g、8.7g、14.8g、40.2g。Fe^{3 +}、Al³⁺、Fe^{2 +}和Mg²⁺以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的pH分别为3. 2、5.2、9.7和12.4。
（1）由于矿粉中含CaCO₃，“浸取”时容易产生大量泡沫使物料从反应器溢出，故应分批加入稀硫酸。该反应的化学方程式为                          。
（2）“浸出液”显酸性，含H₃BO₃和Mg²⁺、SO₄^2－，还含有Fe^{3 +}、Fe²⁺、Ca²⁺、Al³⁺等杂质。“除杂”时向浸出液中依次加入适量H₂O₂和MgO，除去的杂质离子是        。H₂O₂的作用是                  (用离子方程式表示）。
（3）“浸取”后，采用“热过滤”的目的是                          。
（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下图，且溶液的沸点随压强增大而升高。为了从“母液”中充分回收MgSO₄?H₂O，应采取的措施是将“母液”蒸发浓缩，                          。

Answer 1

32.（16分）
（1）CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑  （3分）
（2）Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺  （3分，每个1分）
H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O （3分）
（3）防止温度下降时H₃BO₃从溶液中析出（意思相同即可给分。例如：从H₃BO₃溶解度数据可知，温度较高时，H₃BO₃溶解度较大，不易从溶液中析出。） （3分）
（4）加压升温结晶  （4分，加压、升温结晶各2分）

试题分析：（1）由于硫酸的酸性比碳酸强，则矿粉中的碳酸钙与加入的稀硫酸能发生复分解反应，生成硫酸钙、二氧化碳气体和水，即CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑，粉末状碳酸钙及分批加入稀硫酸能加快反应速率、防止微溶的硫酸钙覆盖在碳酸钙固体表面阻止反应的顺利进行；根据流程图及题意可知，浸取时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）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，即H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O；由于铁离子和铝离子能够水解，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⁺=Mg²⁺+H₂O，减小氢离子浓度，增大溶液pH至3.2时，促进铁离子水解到底，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，促进铝离子水街到底，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Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；（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，H₃BO₃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H₃BO₃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MgSO₄?H₂O，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MgSO₄?7H₂O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MgSO₄?H₂O晶体。