Question

20．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图
已知：
表一：不同温度下H₃BO₃的溶解度

温度（℃）	20	40	60	100
溶解度（g）	5.0	8.7	14.8	40.2

表二：不同物质沉淀完全时的pH

金属阳离子	Fe（OH）3	Al（OH）3	Fe（OH）2	Mg（OH）2
pH	3.2	5.2	9.7	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中溢出，应采取的措施为分批缓慢加入硫酸
（2）“浸取”时为提高速率．除适当增加硫酸浓度外，还可采取的措施是提高反应温度；“浸取”后，采用“热过滤”的目的为防止因温度下降时H₃BO₃从溶液中析出．
（3）“浸出液”显酸性．含有H₃BO₃和Mg²⁺，还含有Fe²⁺、Fe³⁺、Ca²⁺、Al³⁺等杂质．“除杂”时，向浸出液中依次加入适量的H₂O₂和MgO，可以除去的杂质离子为Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺．H₂O₂的作用为H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O（用离子方程式表示）．
（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图所示，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、加压、升温结晶、过滤．

（5）已知25℃时，硼酸（H₃BO₃）溶液中存在如下平衡：H₃BO₃（aq）+H₂O（l）?[B（OH）₄]^-（aq）+H⁺（aq）   K=5.7×10^-10.25℃时，0.7mol/L硼酸溶液中c（H⁺）=2×10^-5mol/L
（6）已知25℃时：

化学式	H2CO3	HF
电离常数	K1=4.4×10-7 K2=4.7×10-11	K=6.75×10-4

下列说法正确的是BD（填序号）．
A．碳酸钠溶液滴入硼酸溶液中观察到有气泡产生
B．碳酸钠溶液滴入氢氟酸中观察到有气泡产生
C．等浓度碳酸溶液和硼酸溶液的pH：前者＞后者
D．等浓度碳酸钠溶液和氟化钠溶液的pH：前者＞后者．

Answer 1

分析 由流程可知，加硫酸溶解只有SiO₂不溶，CaO转化为微溶于水的CaSO₄，趁热过滤，防止H₃BO₃从溶液中析出，“除杂”需先加H₂O₂溶液，将亚铁离子转化为铁离子，再加入MgO调节溶液的pH约为5.2，使铁离子、铝离子均转化为沉淀，则滤渣为氢氧化铝、氢氧化铁，然后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤分离出H₃BO₃．
（1）应分批加入H₂SO₄，降低反应速率；
（2）增大反应物浓度、升高温度等方法都可以提高反应速率；H₃BO₃的溶解度随着温度升高而增大；
（3）加适量H₂O₂把Fe²⁺氧化为Fe³⁺，加MgO调节PH，使Fe³⁺、Al³⁺转化为沉淀而除去，所以除去的离子有Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；
（4）根据图2可知，温度越高MgSO₄•H₂O的溶解度越小，由于溶液的沸点随压强增大而升高，为了防止溶液沸腾，应该在较高的压强条件下加热，使MgSO₄•H₂O结晶析出；
（5）根据硼酸的电离平衡常数可知，c（H⁺）=$\sqrt{K．c（{H}_{3}B{O}_{3}）}$；
（6）相同温度、浓度下，酸的电离平衡常数越大，酸的酸性越强，其酸根离子的水解能力越小，结合强酸制取弱酸分析解答．

解答 解：由流程可知，加硫酸溶解只有SiO₂不溶，CaO转化为微溶于水的CaSO₄，趁热过滤，防止H₃BO₃从溶液中析出，“除杂”需先加H₂O₂溶液，将亚铁离子转化为铁离子，再加入MgO调节溶液的pH约为5.2，使铁离子、铝离子均转化为沉淀，则滤渣为氢氧化铝、氢氧化铁，然后蒸发浓缩、冷却结晶、过滤分离出H₃BO₃．
（1）发生发生：CaCO₃ （粉末）+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑，应分批加入H₂SO₄，降低反应速率，防止产生大量泡沫使物料从反应器中溢出，
故答案为：分批慢慢加入稀硫酸；
（2）增大反应物浓度、升高温度等方法都可以提高反应速率；H₃BO₃的溶解度随着温度升高而增大，所以为了防止温度较低时H₃BO₃析出而采用热过滤，
故答案为：提高反应温度；防止因温度下降时H₃BO₃从溶液中析出；
（3）加适量H₂O₂把Fe²⁺氧化为Fe³⁺，所以H₂O₂的作用是：H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O，加MgO调节PH，使Fe³⁺、Al³⁺转化为沉淀而除去，所以除去的离子有Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；
故答案为：Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O；
（4）根据图2可知，温度越高MgSO₄•H₂O的溶解度越小，由于溶液的沸点随压强增大而升高，为了防止溶液沸腾，应该在较高的压强条件下加热，使MgSO₄•H₂O结晶析出，然后过滤，
故答案为：加压、升温结晶、过滤；
（5）25℃时0.7mol•L^-1 硼酸溶液中H⁺的浓度：c（H⁺）=$\sqrt{K．c（{H}_{3}B{O}_{3}）}$=$\sqrt{5.7×1{0}^{-10}×0.7}$mol/L≈2×10^-5mol•L^-1，故答案为：2×10^-5mol•L^-1；
（6）酸的电离平衡常数HF＞H₂CO₃＞H₃BO₃＞HCO₃^-，所以离子水解能力：CO₃^2-＞[B（OH）₄]^-＞HCO₃^-＞F^-，
A．酸性HF＞H₂CO₃＞H₃BO₃＞HCO₃^-，所以碳酸钠溶液滴入硼酸中生成碳酸氢钠和硼酸钠，没有气体生成，故A错误；
B．酸性HF＞H₂CO₃＞H₃BO₃＞HCO₃^-，所以碳酸钠溶液滴入HF生成NaF、水和二氧化碳，所以能看到有气泡生成，故B正确；
C．等浓度的碳酸和硼酸，碳酸电离程度大于硼酸，所以碳酸中氢离子浓度大于硼酸，则pH：碳酸小于硼酸，故C错误；
D．等浓度的碳酸钠和氟化钠，碳酸根离子水解程度大于氟离子，所以相同浓度的碳酸钠溶液和氟化钠溶液的pH：前者＞后者，故D正确；
故选BD．

点评 本题考查物质制备，为高频考点，涉及化学工艺流程分析、物质分离提纯、弱电解质的电离和盐类水解等知识点，明确流程图中发生的反应、弱酸电离平衡常数与其对应的酸根离子水解程度关系是解本题关键，注意（6）题中H₂CO₃对应是酸根离子是HCO₃^-而不是CO₃^2-，为易错点．