Question

【题目】金属钇(Y)具有重要的国防价值，但因过度开采已濒临枯竭。通过硫酸浸泡深海磷灰石矿，可以得到Y3+的浸出液：

表1 浸出液成分

	Al3+	Fe3+	Ca2+	PO43-	Mg2+	Mn2+	Y3+
浓度/(mgL-1)	7670	9460	550	640	5600	1500	70.2

（1）浸出液可用有机溶剂（HR）进行萃取，实现Y3+的富集（已知：Y3+与Fe3+性质相似），原理如下：Fe3+ + 3HR FeR3 + 3H+ Y3+ + 3HR YR3 + 3H+ （已知：FeR3、YR3均易溶于HR）

浸出液在不同pH下萃取的结果如图1。

①用化学平衡原理解释，随pH增大，Y3+萃取率增大的原因________。

②结合图1解释，工业上萃取Y3+之前，应首先除去Fe3+的原因是________。

（2）采用“中和沉淀法”和“磷酸法”可以除铁。

表2 Fe3+、Y3+去除率

终点pH	去除率/%
	Fe3+	Y3+
3.0	87.84	19.86
3.5	92.33	23.63
4.5	99.99	44.52
5.0	99.99	89.04

中和沉淀法：向浸出液中加入NaOH除Fe3+，去除率如表2所示。

①该实验条件下，Fe3+去除率比Y3+大的可能原因________。

磷酸法：将磷酸（H3PO4：三元弱酸）加入到浸出液中，再加入Na2CO3溶液，调pH为2.5，过滤除去磷酸铁沉淀（FePO4），滤液中剩余的Fe3+、Y3+浓度如表3。

表3 滤液中Fe3+、Y3+的浓度

	Fe3+	Y3+
浓度/(mgL-1)	508	68.9

② 配平“磷酸法”除铁过程中的离子方程式

Fe3+ + + = FePO4↓+ CO2↑+ ，___________________

③ 综合分析表1、表2、表3，工业上采用“磷酸法”除铁的原因________。

（3）经“磷酸法”除铁后，用有机溶剂HR萃取Y3+，可通过________（填操作）收集含Y3+的有机溶液。

（4）综合分析以上材料，下列说法合理的是________。

a. 分析图1可知，pH在0.2～2.0范围内，有机溶剂中的Fe3+多于水溶液中的Fe3+

b. 表2中 Y3+损失率在20%左右的原因可能是生成的Fe(OH)3对Y3+的吸附

c. 表2中 pH在4.5～5.0范围内，Y3+损失率变大的可能原因：Y3+ + 3OH- = Y（OH）3↓

d. 有机溶剂萃取Y3+的优点是Ca2+、Mg2+、Mn2+等金属离子萃取率极低

Answer 1

【答案】 Y3+在溶液中存在平衡：Y3++3HRYR3+3H+，pH增大，c(H+) 减小（或c(OH-)增大），平衡右移，Y3+萃取率提高 Fe3+和Y3+萃取存在竞争性，Fe3+对Y3+萃取干扰较大 KSP[Fe(OH) 3]小于KSP[Y(OH) 3]或Fe(OH) 3的溶解度小于Y(OH) 3或c（Fe 3+）远大于c（Y3+） 2Fe 3++2 H3PO4+ 3CO32-= 2FePO4↓+ 3CO 2↑+3H2O 磷酸法除铁率较高同时Y3+损失率较小 分液 bcd

【解析】考查化学反应原理的综合运用，（1）①Y3＋的溶液中存在：Y3++3HRYR3+3H+，pH增大，c(H＋)减小，根据勒夏特列原理，平衡向正反应方向移动，Y3＋的转化率增大，即Y3＋萃取率提高；②根据Fe3+ + 3HR FeR3 + 3H+，Y3+ + 3HR YR3 + 3H+ ，Fe3+和Y3+萃取存在竞争性，Fe3+对Y3+萃取干扰较大，因此萃取Y3＋之前，应除去Fe3＋，防止对Y3＋萃取产生干扰；（2）①表2采用的是中和沉淀法，通过条件pH，Fe3＋去除率高，其原因可能是KSO[Fe(OH)3]<Ksp[Y(OH)3]，或者Fe(OH)3的溶解度远远小于Y(OH)3溶解度；②根据原理，加入的物质Fe3＋、H3PO4、Na2CO3，生成了FePO4和CO2，没有化合价的变化，因此离子反应是Fe3＋＋H3PO4＋CO32－→FePO4↓＋CO2↑，H3PO4中H转化成H2O，Fe3＋＋H3PO4＋CO32－→FePO4↓＋CO2↑＋H2O，根据电荷守恒和原子守恒进行配平，即2Fe 3++2 H3PO4＋ 3CO32－= 2FePO4↓+ 3CO 2↑+3H2O；③根据表1、2、3中的数据，得出磷酸法除铁率较高同时Y3+损失率较小；（3）有机溶剂为萃取剂，不溶于水，因此采用分液方法进行分离；（4）a、根据Fe3+ + 3HR FeR3 + 3H+，pH越大，Fe3＋萃取率提高，但有机溶剂中不含有Fe3＋而是FeR3，pH在0.2～2.0范围内，有机溶剂中的Fe3＋小于水溶液中的Fe3＋ ，故a错误；b、表2中 Y3＋损失率在20%左右的原因可能是生成的Fe(OH)3对Y3＋的吸附，氢氧化铁表面积大，能够吸附微粒，故b正确；c、表2中 pH在4.5～5.0范围内，Y3+损失率变大的可能原因：Y3+ + 3OH- = Y（OH）3↓，故c正确；d、有机溶剂萃取Y3+的优点是Ca2+、Mg2+、Mn2+等金属离子萃取率极低，故d正确。