Question

10．资源的高效利用对保护环境．促进经济持续健康发展具有重要作用．磷尾矿主要含Ca₅（PO₄）₃F和CaCO₃•MgCO₃．某研究小组提出了磷尾矿综合利用的研究方案，制备具有重要工业用途的CaCO₃、Mg（OH）₂、P₄和H₂其简化流程如图：

已知：①Ca₅（PO₄）₃F在950℃不分解
②4Ca₅（PO₄）₃F+18SiO₂+30C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CaF₂+30CO+18CaSiO₃+3P₄
请回答下列问题：
（1）950℃煅烧磷尾矿生成气体的主要成分是二氧化碳（CO₂）
（2）实验室过滤所需的玻璃仪器是烧杯、漏斗和玻璃棒
（3）NH₄NO₃溶液能从磷矿Ⅰ中浸取出Ca²⁺的原因是NH₄⁺水解使溶液呈酸性，与CaO、Ca（OH）₂反应生成Ca²⁺
（4）在浸取液Ⅱ中通入NH₃，发生反应的化学方程式是MgSO₄+2NH₃+2H₂O=Mg（OH）₂↓+（NH₄）₂SO₄
（5）工业上常用磷精矿[Ca₅PO₄）₃F]和硫酸反应制备磷酸．已知25℃，101kPa时：
CaO（s）+H₂SO₄（l）═CaSO₄（s）+H₂O（l）△H=-271kJ/mol
5CaO（s）+3H₃PO₄（l）+HF（g）═Ca₅（PO₄）₃F（s）+5H₂O（l）△H=-937kJ/mol
则Ca₅（PO₄）₃F和硫酸反应生成磷酸的热化学方程式是Ca₅（PO₄）₃F （s）+5H₂SO₄（l）=5CaSO₄（s）+3H₃PO₄（l）+HF（g）△H=-418kJ/mol
（6）在一定条件下CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），当CO与H₂O（g）的起始物质的量之比为1：5，达平衡时，CO转化了$\frac{5}{6}$．若a kg含Ca₅（PO₄）₃F（相对分子质量为504）的质量分数为10%的磷尾矿，在上述过程中有b%的Ca₅（PO₄）₃F转化为P₄，将产生的CO与H₂O（g）按起始物质的量之比1：3混合，则在相同条件下达平衡时能产生H₂$\frac{ab}{44800}$kg．

Answer 1

分析 磷尾矿[主要含Ca₅（PO₄）₃F和CaCO₃•MgCO₃]在950℃下煅烧，其中碳酸钙和碳酸镁分解，生成气体的成分为二氧化碳（CO₂），磷矿Ⅰ的主要成分为Ca₅（PO₄）₃F、CaO、MgO，NH₄NO₃溶液中铵离子水解呈酸性，可溶解CaO，得到的浸取液Ⅰ含有Ca²⁺，可生成CaCO₃，磷矿Ⅱ含有Ca₅（PO₄）₃F、MgO，加入硫酸铵浸取，浸取液Ⅱ含有镁离子，可生成氢氧化镁，磷精矿加入二氧化硅、C等，在高温下发生4Ca₅（PO₄）₃F+18SiO₂+30C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CaF₂+30CO+18CaSiO₃+3P₄，可生成P₄，以此解答该题．

解答 解：磷尾矿[主要含Ca₅（PO₄）₃F和CaCO₃•MgCO₃]在950℃下煅烧，其中碳酸钙和碳酸镁分解，生成气体的成分为二氧化碳（CO₂），磷矿Ⅰ的主要成分为Ca₅（PO₄）₃F、CaO、MgO，NH₄NO₃溶液中铵离子水解呈酸性，可溶解CaO，得到的浸取液Ⅰ含有Ca²⁺，可生成CaCO₃，磷矿Ⅱ含有Ca₅（PO₄）₃F、MgO，加入硫酸铵浸取，浸取液Ⅱ含有镁离子，可生成氢氧化镁，磷精矿加入二氧化硅、C等，在高温下发生4Ca₅（PO₄）₃F+18SiO₂+30C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CaF₂+30CO+18CaSiO₃+3P₄，
（1）根据题给化学工艺流程和信息①知磷尾矿[主要含Ca₅（PO₄）₃F和CaCO₃•MgCO₃]在950℃下煅烧，其中碳酸钙和碳酸镁分解，生成气体的成分为二氧化碳（CO₂），故答案为：二氧化碳（CO₂）；
（2）实验室过滤所需的玻璃仪器是烧杯、漏斗和玻璃棒，故答案为：烧杯、漏斗和玻璃棒；
（3）NH₄NO₃溶液中铵离子水解呈酸性，H⁺能从磷矿I中浸取出Ca²⁺，故答案为：NH₄⁺水解使溶液呈酸性，与CaO、Ca（OH）₂反应生成Ca²⁺；
（4）根据化学工艺流程判断浸取液II的主要成分为硫酸镁溶液，通入NH₃，发生反应的化学方程式是MgSO₄+2NH₃+2H₂O=Mg（OH）₂↓+（NH₄）₂SO₄，
故答案为：MgSO₄+2NH₃+2H₂O=Mg（OH）₂↓+（NH₄）₂SO₄；
（5）已知25℃，101kPa时：
①CaO（s）+H₂SO₄（l）═CaSO₄（s）+H₂O（l）△H=-271kJ/mol
②5CaO（s）+3H₃PO₄（l）+HF（g）═Ca₅（PO₄）₃F（s）+5H₂O（l）△H=-937kJ/mol
根据盖斯定律：①×5-②得Ca₅（PO₄）₃F和硫酸反应生成磷酸的热化学方程式是Ca₅（PO₄）₃F （s）+5H₂SO₄（l）=5CaSO4（s）+3H₃PO₄（l）+HF（g）△H=-418kJ/mol，
故答案为：Ca₅（PO₄）₃F （s）+5H₂SO₄（l）=5CaSO4（s）+3H₃PO₄（l）+HF（g）△H=-418kJ/mol；
（6）根据题给数据利用三行式分析．设CO的起始浓度为1mol/L，则水蒸气的起始浓度为5mol/L
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
起始浓度（mol/L）1      5          0     0
转化浓度（mol/L）$\frac{5}{6}$     $\frac{5}{6}$         $\frac{5}{6}$    $\frac{5}{6}$
平衡浓度（mol/L）$\frac{1}{6}$    $\frac{25}{6}$        $\frac{5}{6}$    $\frac{5}{6}$
则K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）C（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{5}{6}×\frac{5}{6}}{\frac{1}{6}×\frac{25}{6}}$=1．

相同条件下当CO与H₂O（g）的起始物质的量之比为1：3，平衡常数不变，设转化的CO为x．
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
起始浓度（mol/L）1      3          0     0
转化浓度（mol/L）x      x          x     x
平衡浓度（mol/L）（1-x）   （3-x）       x     x
则$\frac{{x}^{2}}{（1-x）（3-x）}$=1，解得x=$\frac{3}{4}$，即达平衡时，CO转化了$\frac{3}{4}$，转化为P₄的Ca₅（PO₄）₃F质量为a×10%×b%kg，
根据反应4Ca₅（PO₄）₃F+18SiO₂+30C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CaF₂+30CO+18CaSiO₃+3P₄知生成CO的质量为$\frac{30×28×a×10%×b%}{4×504}$kg，
则转化的CO的质量为$\frac{3}{4}$×$\frac{30×28×a×10%×b%}{4×504}$kg，
根据反应：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）知相同条件下达平衡时能产生H₂$\frac{3×（30×28×a×10%×b%）}{56×（4×504）}$=$\frac{ab}{44800}$kg．
故答案为：$\frac{ab}{44800}$．

点评 本题考查物质的制备，涉及化学反应原理，涉及化学反应速率、化学平衡、化学反应与能量等知识，题目难度较大，注意掌握实验的原理和流程，把握平衡常数的意义，试题计算量较大，充分培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力．