Question

11．工厂中用稀硫酸浸泡某矿石后的溶液中，除了含有大量硫酸外，还含有少量NH₄⁺、Fe³⁺、AsO₄^3-、Cl^-．为除去杂质离子，部分操作流程如下：

请回答下列问题：
（1）用稀硫酸浸泡某矿石后的溶液中，硫酸的浓度为4.9g•L^-1，则该溶液中的pH约为1．
（2）NH₄⁺在用稀硫酸浸泡某矿石后的溶液中以（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl形式存在．现有一份（NH₄）₂SO₄溶液，一份NH₄Cl溶液，（NH₄）₂SO₄溶液中c（NH₄⁺）恰好是NH₄Cl溶液中c（NH₄⁺）的2倍，则c[（NH₄）₂SO₄]＜c（NH₄Cl）（填“＜”“=”或“＞”）．
（3）随着向废液中投入生石灰（忽略溶液温度的变化），溶液中$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}{c（O{H}^{-}）}$减小（填“增大”“减小”或“不变”）．
（4）投入生石灰调节pH 2～3时，大量沉淀主要成分为CaSO₄•2H₂O[含有少量Fe（OH）₃]，提纯CaSO₄•2H₂O的主要操作步骤：向沉淀中加入过量稀硫酸，充分反应后，过滤、洗涤、晾干或干燥．
（5）25℃，H₃AsO₄电离常数为K₁=5.6×10^-3，K₂=1.7×10^-7，K₃=4.0×10^-12．当调节pH 8～9时，沉淀主要成分为Ca₃（AsO₄）₂．
①pH调节到8左右Ca₃（AsO₄）₂才开始沉淀的原因是H₃AsO₄是弱酸，当溶液中pH调节到8左右，c（AsO₄^3-）增大，Ca₃（AsO₄）₂开始沉淀．
②Na₃AsO₄第一步水解的平衡常数数值为2.5×10^-3．

Answer 1

分析 硫酸废液中含有大量硫酸外，还含有少量NH₄⁺、Fe³⁺、AsO₄^3-、Cl^-，加入生石灰，调节pH在2～3，大量沉淀主要成分为CaSO₄•2H₂O[含有少量Fe（OH）₃]，滤液加入生石灰调节pH8～9，生成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，滤液主要含有（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl．
（1）硫酸的浓度为4.9g•L^-1，结合n=$\frac{m}{M}$计算物质的量浓度，再根据pH=-lgc（H⁺）计算；
（2）c（NH₄⁺）越大，NH₄⁺水解程度越小；
（3）随着向废液中投入生石灰，c（OH^-）增大，c（NH₃•H₂O）减小；
（4）提纯CaSO₄•2H₂O，可加入稀硫酸溶解Fe（OH）₃，并洗涤、干燥；
（5）①H₃AsO₄是弱酸，电离出来的AsO₄^3-较少，所以酸性条件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀；
②Na₃AsO₄的第一步水解的离子方程式为：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，该步水解的平衡常数Kh=$\frac{c（HAs{{O}_{4}}^{2-}）•c（O{H}^{-}）}{c（As{{O}_{4}}^{3-}）}$=$\frac{c（HAs{{O}_{4}}^{2-}）•c（O{H}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（As{{O}_{4}}^{3-}）•c（{H}^{+}）}$=$\frac{Kw}{{K}_{3}}$=．

解答 解：硫酸废液中含有大量硫酸外，还含有少量NH₄⁺、Fe³⁺、AsO₄^3-、Cl^-，加入生石灰，调节pH在2～3，大量沉淀主要成分为CaSO₄•2H₂O[含有少量Fe（OH）₃]，滤液加入生石灰调节pH8～9，生成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，滤液主要含有（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl．
（1）硫酸的浓度为4.9g•L^-1，c（H₂SO₄）=$\frac{\frac{4.9g}{98g/mol}}{1L}$=0.05mol/L，c（H⁺）=0.1mol/L，所以pH=-lg0.1=1，
故答案为：1；
（2）如c[（NH₄）₂SO₄]=c（NH₄Cl），则（NH₄）₂SO₄溶液中c（NH₄⁺）大于NH₄Cl溶液中的2倍，因c（NH₄⁺）越大，NH₄⁺水解程度越小，若（NH₄）₂SO₄溶液中c（NH₄⁺）等于H₄Cl溶液中c（NH₄⁺）的2倍，则c（NH₄Cl）应较大，
故答案为：＜；
（3）随着向废液中投入生石灰，c（OH^-）增大，c（NH₃•H₂O）减小，则溶液中$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}{c（O{H}^{-}）}$ 减小，
故答案为：减小；
（4）提纯CaSO₄•2H₂O，可加入稀硫酸溶解Fe（OH）₃，且防止CaSO₄•2H₂O的溶解，过滤后洗涤、干燥，
故答案为：稀硫酸；晾干或干燥；
（5）①H₃AsO₄是弱酸电离出来的AsO₄^3-较少，所以酸性条件下不易形成Ca₃（AsO₄）₂沉淀，当溶液中pH调节到8左右时AsO₄^3-浓度增大，Ca₃（AsO₄）₂开始沉淀，
故答案为：H₃AsO₄是弱酸，当溶液中pH调节到8左右，c（AsO₄^3-）增大，Ca₃（AsO₄）₂开始沉淀；
②Na₃AsO₄的第一步水解的离子方程式为：AsO₄^3-+H₂O?HAsO₄^2-+OH^-，该步水解的平衡常数Kh=$\frac{c（HAs{{O}_{4}}^{2-}）•c（O{H}^{-}）}{c（As{{O}_{4}}^{3-}）}$=$\frac{c（HAs{{O}_{4}}^{2-}）•c（O{H}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（As{{O}_{4}}^{3-}）•c（{H}^{+}）}$=$\frac{Kw}{{K}_{3}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{4.0×1{0}^{-12}}$=2.5×10^-3，
故答案为：2.5×10^-3．

点评 本题以化学工艺流程为载体，考查溶液pH计算、盐类水解影响因素、水解平衡常数计算、物质的分离提纯、对条件的控制与分析等，侧重于学生的分析、实验和计算能力的考查，液面考查的知识点较多，题目难度中等．