Question

9．工业碳酸钠（纯度约为98%）中常含有Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、Clˉ和SO₄²ˉ等杂质．为了提纯工业碳酸钠，并获得试剂级碳酸钠，采取工艺流程如图所示：

已知：Ⅰ．碳酸钠的饱和溶液在不同温度下析出的溶质如下图所示：

Ⅱ．有关物质的溶度积如下

物质	CaCO3	MgCO3	Ca（OH）2	Mg（OH）2	Fe（OH）3
Ksp	4.96×10-9	6.82×10-6	4.68×10-6	5.61×10-12	2.64×10-39

（1）加入NaOH溶液主要为了除去Mg²⁺（填离子符号），发生反应的离子方程式为MgCO₃+2OH^-=Mg（OH）₂+CO₃^2-、Mg²⁺+2OH^-=Mg（OH）₂↓；“沉淀”的主要成份有Mg（OH）₂、Fe（OH）₃、CaCO₃（填化学式）；
向含有Mg²⁺、Fe³⁺的溶液中滴加NaOH溶液，当两种沉淀共存且溶液的pH=8时，c（Mg²⁺）：c（Fe³⁺）=2.125×10²¹．
（2）热的Na₂CO₃溶液有较强的去油污能力，其原因是（用离子方程式及必要的文字加以解释）Na₂CO₃在溶液中存在水解平衡CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，溶液呈碱性，当温度升高时水解平衡正向移动，使溶液碱性增强，故去油污能力增强．
（3）“趁热过滤”时的温度应控制在高于36℃．
（4）已知：Na₂CO₃•10H₂O（s）=Na₂CO₃（s）+10H₂O（g）△H=+532.36kJ•mol^-1
Na₂CO₃•10H₂O（s）=Na₂CO₃•H₂O（s）+9H₂O（g）△H=+473.63kJ•mol^-1
写出Na₂CO₃•H₂O脱水反应的热化学方程式Na₂CO₃•H₂O（s）=Na₂CO₃（s）+H₂O（g）△H=+58.73KJ/mol．
（5）有人从“绿色化学”角度设想将“母液”沿流程图中虚线所示进行循环使用．请你分析实际生产中是否可行不可行，其理由是若“母液”循环使用，则溶液c（Cl^-）和c（SO₄^2-）增大，最后所得产物Na₂CO₃中混有杂质．

Answer 1

分析 工业碳酸钠（纯度约为98%）中含有Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺、和Cl^-、SO₄²ˉ等杂质，加入水溶解后加入氢氧化钠溶液过滤得到滤液通过蒸发浓缩，冷却结晶，趁热过滤得到碳酸钠晶体，加热脱水得到实际级碳酸钠，母液重新溶解循环使用；
（1）因工业碳酸钠中含有Mg²⁺，Fe³⁺，Ca²⁺，所以“除杂”中加入过量的NaOH溶液，可生成Mg（OH）₂、Fe（OH）₃、CaCO₃沉淀；
（2）根据碳酸钠溶液中碳酸根离子的水解是吸热反应判断；
（3）使析出的晶体为Na₂CO₃•H₂O，防止因温度过低而析出Na₂CO₃•10H₂0晶体或Na₂CO₃•7H₂0晶体，36℃是一个转折点；
（4）通过观察两个热化学方程式，利用盖斯定律来计算焓变即可；
（5）分析“母液”中存在的离子，若参与循环，将使离子浓度增大，对工业生产中哪个环节有所影响．

解答 解：（1）碳酸钠中含有Mg²⁺，Fe³⁺，Ca²⁺，所以“除杂”中加入过量的NaOH溶液，可生成Mg（OH）₂、Fe（OH）₃、CaCO₃沉淀，主要是除去镁离子，滤渣的主要成分为Mg（OH）₂、Fe（OH）₃、CaCO₃，发生的发应有：Fe³⁺+3OH^-=Fe（OH）₃↓，MgCO₃+2OH^-=Mg （OH） ₂↓+CO₃^2-，Mg²⁺+2OH^-=Mg （OH） ₂↓，当两种沉淀共存且溶液的pH=8时，c（OH^-）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-8}}$=10^-6mol/L；
c（Mg²⁺）：c（Fe³⁺）=$\frac{Ksp（Mg（OH）_{2}）}{{c}^{2}（O{H}^{-}）}$：$\frac{Ksp（Fe（OH）_{3}）}{{c}^{3}（O{H}^{-}）}$=$\frac{5.61×1{0}^{-12}}{（1{0}^{-8}）^{2}}$：$\frac{2.64×1{0}^{-39}}{（1{0}^{-8}）^{3}}$=2.125×10²¹；
故答案为：Mg²⁺；MgCO₃+2OH^-=Mg（OH ）₂↓+CO₃^2-； Mg²⁺+2OH^-=Mg （OH） ₂↓；Mg（OH）₂、Fe（OH）₃、CaCO₃；2.125×10²¹；
（2）热的Na₂CO₃溶液有较强的去油污能力，是由于Na₂CO₃在溶液中存在水解平衡CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，溶液呈碱性，当温度升高时水解平衡正向移动，使溶液碱性增强，故去油污能力增强，
故答案为：Na₂CO₃在溶液中存在水解平衡CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，溶液呈碱性，当温度升高时水解平衡正向移动，使溶液碱性增强，故去油污能力增强；
（3）“趁热过滤”的原因是使析出的晶体为Na₂CO₃•H₂O，防止因温度过低而析出Na₂CO₃•10H₂0晶体或Na₂CO₃•7H₂0晶体，所以温度高于36℃，
故答案为：高于36℃；
（4）通过观察两个热化学方程式，利用盖斯定律，可将两式相减得到Na₂CO₃•H₂O（S）═Na₂CO₃（s）+H₂O（g），
即Na₂CO₃•H₂O（S）═Na₂CO₃（s）+H₂O（g）△H=+58.73kJ/mol，
故答案为：Na₂CO₃•H₂O（S）═Na₂CO₃（s）+H₂O（g）△H=+58.73kJ/mol；
（5）若“母液”循环使用，则溶液c（Cl^-）和c（SO₄^2-）增大，最后所得产物Na₂CO₃中混有杂质，这样不符合该提纯工艺，
故答案为：不可行；若“母液”循环使用，则溶液c（Cl^-）和c（SO₄^2-）增大，最后所得产物Na₂CO₃中混有杂质．

点评 本题考查了物质的分离、提纯及物质的制取等知识，题目难度中等，本题是一道比较综合的试题题，有利于考查学生分析和解决问题的能力．