Question

硼酸（H₃BO₃)大量应用于玻璃制造行业，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下：

已知：H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃时的溶解度依次为5.0g、8.7g、14.8g、40.2g。Fe^{3 +}、Al³⁺、Fe^{2 +}和Mg²⁺以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的pH分别为3. 2、5.2、9.7和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溢出，故应分批加入稀硫酸。该反应的化学方程式为                          。
（2）“浸出液”显酸性，含H₃BO₃和Mg²⁺、SO₄^2－，还含有Fe^{3 +}、Fe²⁺、Ca²⁺、Al³⁺等杂质。“除杂”时向浸出液中依次加入适量H₂O₂和MgO，除去的杂质离子是        。H₂O₂的作用是                  (用离子方程式表示）。
（3）“浸取”后，采用“热过滤”的目的是                          。
（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下图，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，                          。

Answer 1

32.（16分）
（1）CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑  （3分）
（2）Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺  （3分，每个1分）
H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O （3分）
（3）防止温度下降时H₃BO₃从溶液中析出（意思相同即可给分。例如：从H₃BO₃溶解度数据可知，温度较高时，H₃BO₃溶解度较大，不易从溶液中析出。） （3分）
（4）加压升温结晶  （4分，加压、升温结晶各2分）

解析试题分析：（1）由于硫酸的酸性比碳酸强，则矿粉中的碳酸钙与加入的稀硫酸能发生复分解反应，生成硫酸钙、二氧化碳气体和水，即CaCO₃(粉末)+H₂SO₄=CaSO₄+H₂O+CO₂↑，粉末状碳酸钙及分批加入稀硫酸能加快反应速率、防止微溶的硫酸钙覆盖在碳酸钙固体表面阻止反应的顺利进行；根据流程图及题意可知，浸取时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）双氧水是常用的绿色氧化剂，所含氧元素由—1价降低为—2价，杂质阳离子中只有亚铁离子能被其氧化为铁离子，即H₂O₂+2H⁺+2Fe²⁺=2Fe³⁺+2H₂O；由于铁离子和铝离子能够水解，即Fe³⁺+3H₂OFe(OH)₃+3H⁺、Al³⁺+3H₂OAl(OH)₃+3H⁺，用稀硫酸浸取及浸出液呈酸性时，能抑制铁离子和铝离子的水解，加入过氧化氢和氧化镁时，能消耗氢离子、生成水且不引入新的杂质阳离子，即MgO+2H⁺=Mg²⁺+H₂O，减小氢离子浓度，增大溶液pH至3.2时，促进铁离子水解到底，即亚铁离子转化为铁离子，铁离子完全沉淀为氢氧化铁，增大溶液pH至5.2时，促进铝离子水街到底，即铝离子完全沉淀为氢氧化铝沉淀，因此加入适量过氧化氢和氧化镁除去的杂质离子是Fe³⁺、Fe²⁺、Al³⁺；（3）浸取时二氧化硅不溶于稀硫酸，浸取反应生成硫酸钙微溶于水，其余物质溶解后变为硼酸、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸镁，根据已知信息，H₃BO₃在20℃、40℃、60℃、100℃时的溶解度依次为5.0g、8.7g、14.8g、40.2g，为了除去固液混合物中的二氧化硅和硫酸钙，且不能损失硼酸，因此应选择硼酸溶解度最大时的温度，进行趁热过滤，防止温度下降时H₃BO₃从溶液中析出；（4）除杂时，所得滤渣的主要成分是氢氧化铁、氢氧化铝，而母液的主要成分是硼酸、硫酸镁；为了从“母液”中充分回收MgSO₄?H₂O，根据硫酸镁的溶解度随温度变化的曲线的已知信息推断，若蒸发浓缩、冷却结晶得到的是MgSO₄?7H₂O晶体，因此应该蒸发浓缩，升温结晶；根据溶液的沸点随压强增大而升高的已知条件，为了防止蒸发时液体沸腾，影响结晶，还要加压结晶，防止蒸发浓缩时溶液沸腾，从而得到MgSO₄?H₂O晶体。
考点：考查物质制备化学工艺流程，涉及硫酸和碳酸的酸性、复分解反应、化学方程式、混合物分离与提纯的除杂试剂及原理、根据硼酸的溶解度信息解释热过滤的原因、根据溶解度曲线及压强对溶液沸点的影响选择制备结晶水化合物的措施等。