Question

20．硫酸法是现代氧化铍或氢氧化铍生产中广泛应用的方法之一，其原理是利用预焙烧破坏铍矿物（绿柱石-3BeO•Al₂O₃•6SiO₂及少量FeO等）的结构与晶型，再采用硫酸酸解含铍矿物，使铍、铝、铁等酸溶性金属进入溶液相，与硅等脉石矿物初步分离，然后将含铍溶液进行净化、除杂，最终得到合格的氧化铍（ 或氢氧化铍） 产品，其工艺流程如图．
已知：（1）铝铵矾的化学式是NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O
（2）铍元素的化学性质与铝元素相似
根据以上信息回答下列问题：
（1）熔炼物酸浸前通常要进行粉碎，其目的是：提高铍元素的浸出速率和浸出率．
（2）“蒸发结晶离心除铝”若在中学实验室中进行，完整的操作过程是蒸发浓缩、冷却结晶洗涤、过滤．
（3）“中和除铁”过程中“中和”所发生反应的离子方程式是H⁺+NH₃•H₂O=NH₄⁺+H₂O，用平衡原理解释“除铁”的过程由于存在平衡Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，氨水中和H⁺，使c（H⁺）减小，上述平衡正向移动，使Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀而除去．
（4）加入的“熔剂”除了流程中的方解石外，还可以是纯碱、石灰等．其中，石灰具有价格与环保优势，焙烧时配料比（ m石灰/m绿柱石） 通常控制为1：3，焙烧温度一般为1400℃-1500℃．若用纯碱作熔剂，SiO₂与之反应的化学方程式是SiO₂+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂SiO₃+CO₂↑，若纯碱加入过多则Al₂O₃、BeO₂也会发生反应，其中BeO与之反应的化学方程式是BeO+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂BeO₂+CO₂↑，从而会导致酸浸时消耗更多硫酸，使生产成本升高，结合离子方程式回答成本升高的原因由BeO+2H⁺=Be²⁺+H₂O和BeO₂^2-+4H⁺=Be²⁺+2H₂O可知，BeO转化为BeO₂^2-后将消耗更多硫酸．

Answer 1

分析 铍矿物（绿柱石-3BeO•Al₂O₃•6SiO₂及少量FeO等）和方解石熔炼，然后加入稀硫酸，SiO₂、Al₂O₃分别与CaCO₃反应生成CaSiO₃、铝酸钙，BeO和熔融方解石反应生成铍酸钙，FeO被氧化，然后加入稀硫酸溶解，浸出出液中含有BeSO₄、Al₂（SO₄）₃、Fe₂（SO₄）₃，向滤液中加入硫酸铵，硫酸铝和硫酸铵反应生成NH₄Al（SO₄）₂，通过离心沉淀得到NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O，滤液中含有BeSO₄、（NH₄）₂SO₄、Fe₂（SO₄）₃，然后向溶液中加入氨水，调节溶液pH除去铁离子，然后过滤得到氢氧化铁沉淀，滤液中含有BeSO₄，再向溶液中加入氨水，得到Be（OH）₂沉淀，煅烧氢氧化铍得到工业BeO，
（1）增大反应物接触面积，增大反应速率；
（2）“蒸发结晶离心除铝”若在中学实验室中进行，完整的操作过程蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、过滤；
（3）“中和除铁”过程中“中和”实质上是利用氨水和溶液中氢离子反应促进铁离子水解；
（4）高温条件下，碳酸钠和二氧化硅反应生成硅酸钠和二氧化碳；高温条件下，BeO和碳酸钠反应生成铍酸钠和二氧化碳，BeO转化为BeO₂^2-后将消耗更多硫酸．

解答 解：铍矿物（绿柱石-3BeO•Al₂O₃•6SiO₂及少量FeO等）和方解石熔炼，然后加入稀硫酸，SiO₂、Al₂O₃分别与CaCO₃反应生成CaSiO₃、铝酸钙，BeO和熔融方解石反应生成铍酸钙，FeO被氧化，然后加入稀硫酸溶解，浸出出液中含有BeSO₄、Al₂（SO₄）₃、Fe₂（SO₄）₃，向滤液中加入硫酸铵，硫酸铝和硫酸铵反应生成NH₄Al（SO₄）₂，通过离心沉淀得到NH₄Al（SO₄）₂•12H₂O，滤液中含有BeSO₄、（NH₄）₂SO₄、Fe₂（SO₄）₃，然后向溶液中加入氨水，调节溶液pH除去铁离子，然后过滤得到氢氧化铁沉淀，滤液中含有BeSO₄，再向溶液中加入氨水，得到Be（OH）₂沉淀，煅烧氢氧化铍得到工业BeO，
（1）增大反应物接触面积，增大反应速率，所以将熔炼物酸浸前通常要进行粉碎，其目的是提高铍元素的浸出速率和浸出率，故答案为：提高铍元素的浸出速率和浸出率；
（2）“蒸发结晶离心除铝”若在中学实验室中进行，完整的操作过程蒸发浓缩、冷却结晶、洗涤、过滤，
故答案为：蒸发浓缩、冷却结晶；
（3）“中和除铁”过程中“中和”实质上是利用氨水和溶液中氢离子反应，离子方程式为H⁺+NH₃•H₂O=NH₄⁺+H₂O；由于存在平衡Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，氨水中和H⁺，使c（H⁺）减小，上述平衡正向移动，使Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀而除去，
故答案为：H⁺+NH₃•H₂O=NH₄⁺+H₂O；由于存在平衡Fe³⁺+3H₂O?Fe（OH）₃+3H⁺，氨水中和H⁺，使c（H⁺）减小，上述平衡正向移动，使Fe³⁺转化为Fe（OH）₃沉淀而除去；
（4）高温条件下，碳酸钠和二氧化硅反应生成硅酸钠和二氧化碳，反应方程式为SiO₂+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂SiO₃+CO₂↑；高温条件下，BeO和碳酸钠反应生成铍酸钠和二氧化碳，反应方程式为BeO+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ Na₂BeO₂+CO₂↑，由BeO+2H⁺=Be²⁺+H₂O和BeO₂^2-+4H⁺=Be²⁺+2H₂O可知，BeO转化为BeO₂^2-后将消耗更多硫酸，
故答案为：SiO₂+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂SiO₃+CO₂↑；BeO+Na₂CO₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$ Na₂BeO₂+CO₂↑；由BeO+2H⁺=Be²⁺+H₂O和BeO₂^2-+4H⁺=Be²⁺+2H₂O可知，BeO转化为BeO₂^2-后将消耗更多硫酸．

点评 本题考查物质分离和提纯，为高频考点，综合性较强，涉及离子方程式及化学方程式的书写、化学反应速率影响因素、分离提纯基本操作、盐类水解等知识点，明确反应原理及流程图中每一步发生的反应、采用的操作方法是解本题关键，题目难度中等．