Question

硼酸（H₃BO₃)大量應用于玻璃制造行業，以硼鎂礦（2MgO?B₂O₃?H₂O、SiO₂及少量Fe₃O₄、CaCO₃、Al₂O₃)為原料生產硼酸的工藝流程如下：

已知：H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃時的溶解度依次為5.0g、8.7g、14.8g、40.2g。Fe^{3 +}、Al³⁺、Fe^{2 +}和Mg²⁺以氫氧化物形式完全沉淀時，溶液的pH分別為3. 2、5.2、9.7和12.4。
（1）由于礦粉中含CaCO₃，“浸取”時容易產生大量泡沫使物料從反應器溢出，故應分批加入稀硫酸。該反應的化學方程式為                          。
（2）“浸出液”顯酸性，含H₃BO₃和Mg²⁺、SO₄^2－，還含有Fe^{3 +}、Fe²⁺、Ca²⁺、Al³⁺等雜質。“除雜”時向浸出液中依次加入適量H₂O₂和MgO，除去的雜質離子是        。H₂O₂的作用是                  (用離子方程式表示）。
（3）“浸取”后，采用“熱過濾”的目的是                          。
（4）“母液”可用于回收硫酸鎂，已知硫酸鎂的溶解度隨溫度變化的曲線如下圖，且溶液的沸點隨壓強增大而升高。為了從“母液”中充分回收MgSO₄?H₂O，應采取的措施是將“母液”蒸發濃縮，                          。

Answer 1

32.（16分）
（1）CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑  （3分）
（2）Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺  （3分，每個1分）
H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O （3分）
（3）防止溫度下降時H₃BO₃從溶液中析出（意思相同即可給分。例如：從H₃BO₃溶解度數據可知，溫度較高時，H₃BO₃溶解度較大，不易從溶液中析出。） （3分）
（4）加壓升溫結晶  （4分，加壓、升溫結晶各2分）

試題分析：（1）由于硫酸的酸性比碳酸強，則礦粉中的碳酸鈣與加入的稀硫酸能發生復分解反應，生成硫酸鈣、二氧化碳氣體和水，即CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑，粉末狀碳酸鈣及分批加入稀硫酸能加快反應速率、防止微溶的硫酸鈣覆蓋在碳酸鈣固體表面阻止反應的順利進行；根據流程圖及題意可知，浸取時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）雙氧水是常用的綠色氧化劑，所含氧元素由—1價降低為—2價，雜質陽離子中只有亞鐵離子能被其氧化為鐵離子，即H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O；由于鐵離子和鋁離子能夠水解，即Fe³⁺+3H₂OFe(OH)₃+3H⁺、Al³⁺+3H₂OAl(OH)₃+3H⁺，用稀硫酸浸取及浸出液呈酸性時，能抑制鐵離子和鋁離子的水解，加入過氧化氫和氧化鎂時，能消耗氫離子、生成水且不引入新的雜質陽離子，即MgO+2H⁺=Mg²⁺+H₂O，減小氫離子濃度，增大溶液pH至3.2時，促進鐵離子水解到底，即亞鐵離子轉化為鐵離子，鐵離子完全沉淀為氫氧化鐵，增大溶液pH至5.2時，促進鋁離子水街到底，即鋁離子完全沉淀為氫氧化鋁沉淀，因此加入適量過氧化氫和氧化鎂除去的雜質離子是Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；（3）浸取時二氧化硅不溶于稀硫酸，浸取反應生成硫酸鈣微溶于水，其余物質溶解后變為硼酸、硫酸亞鐵、硫酸鐵、硫酸鎂，根據已知信息，H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃時的溶解度依次為5.0g、8.7g、14.8g、40.2g，為了除去固液混合物中的二氧化硅和硫酸鈣，且不能損失硼酸，因此應選擇硼酸溶解度最大時的溫度，進行趁熱過濾，防止溫度下降時H₃BO₃從溶液中析出；（4）除雜時，所得濾渣的主要成分是氫氧化鐵、氫氧化鋁，而母液的主要成分是硼酸、硫酸鎂；為了從“母液”中充分回收MgSO₄?H₂O，根據硫酸鎂的溶解度隨溫度變化的曲線的已知信息推斷，若蒸發濃縮、冷卻結晶得到的是MgSO₄?7H₂O晶體，因此應該蒸發濃縮，升溫結晶；根據溶液的沸點隨壓強增大而升高的已知條件，為了防止蒸發時液體沸騰，影響結晶，還要加壓結晶，防止蒸發濃縮時溶液沸騰，從而得到MgSO₄?H₂O晶體。