大单元四 第12章 第60讲 无机化工流程题的解题策略(课件PPT)-【步步高】2025年高考化学大一轮复习讲义(鲁科版 鲁琼)
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教辅
内容正文:
第60讲
无机化工流程题的解题策略
1.提升应用物质的转化及条件控制、分离提纯操作等相关知识解决实际问题的能力。
2.树立“绿色化学”的观念,形成资源综合利用、物能充分利用的意识。
复
习
目
标
1.常考无机化工流程的呈现形式
必备知识
整合
2.读图要领
(1)箭头:进入的是投料(反应物),出去的是含产品中元素的物质(流程方向)、副产物或杂质(支线方向)。
(2)三线:出线和进线均表示物料流向或操作流程,可逆线表示物质循环。
必备知识
整合
3.流程图中主要环节的分析
(1)原料的预处理
①溶解:通常用酸溶,如用硫酸、盐酸等。
水浸 与水接触发生反应或溶解
浸出 固体加水(酸)溶解得到离子
酸浸 在酸溶液中反应,使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去
浸出率 固体溶解后,离子在溶液中的含量的多少
必备知识
整合
②灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些物质能溶解,并使一些杂质在高温下氧化、分解。
③审题时要“瞻前顾后”,注意物质性质及反应原理的前后联系。
(2)核心反应——陌生方程式的书写
①氧化还原反应:熟练应用氧化还原反应规律判断产物,并根据化合价升降相等配平。
②非氧化还原反应:结合物质性质和反应实际判断产物。
必备知识
整合
(3)常用的分离方法
①过滤:分离难溶物和易溶物,根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法。
②萃取和分液:利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质,如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。
③蒸发结晶:提取溶解度随温度变化不大的溶质,如从溶液中提取NaCl。
④冷却结晶:提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物,如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。
必备知识
整合
⑤蒸馏或分馏:分离沸点不同且互溶的液体混合物,如分离乙醇和甘油。
⑥冷却法:利用气体液化的特点分离气体,如合成氨工业采用冷却法分离平衡混合气体中的NH3。
必备知识
整合
一、调控化学反应速率提高效率
1.向铬铁矿(FeCr2O4)中通入O2进行焙烧,焙烧时气体与矿料逆流而行,目的是_______________________________________。
2.将催化剂负载在玻璃棉上而不直接平铺在玻璃管中,目的是___________________
_________________________。
3.[2020·北京,18(1)①]酸、过量铁屑对软锰矿(MnO2)进行溶出前需研磨。目的是___________________________________。
增大反应物接触面积,提高化学反应速率
增大接触面积,提高
催化效果,加快反应速率
增大反应物接触面积,加快溶出速率
提升
关键能力
4.向金属Bi中加入稀HNO3酸浸,过程中分次加入稀HNO3可降低反应剧烈程度,其原理是_______________________________________________________________。
减少稀HNO3的用量,降低反应剧烈程度,使HNO3充分反应防止挥发
强调分次加入对反应的影响:①控制用量,防止过量发生副反应;②降低反应剧烈程度;③防止放热反应温度过高,造成副反应的发生,以及物质的挥发、分解。
提升
关键能力
二、结晶与分离提纯操作应用
5.[2021·河北,14(4)②]向含NH4Cl的滤液中加入NaCl粉末,存在NaCl(s)+NH4Cl(aq)―→NaCl(aq)+NH4Cl(s)过程。为使NH4Cl沉淀充分析出并分离,根据NaCl和NH4Cl溶解度曲线,需采用的操作__________、_______、洗涤、干燥。
冷却结晶
过滤
提升
关键能力
由曲线NH4Cl的溶解度随升温而增大,NaCl的溶解度随升温变化不明显,使NH4Cl沉淀充分析出,采用冷却结晶析出NH4Cl→过滤→洗涤→干燥。
提升
关键能力
6.[2019·全国卷Ⅰ,27(4)]由硫酸铁与硫酸铵的混合溶液,通过___________________
__________操作,经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。
7.[2019·全国卷Ⅲ,27(5)改编]过滤得到乙酰水杨酸结晶粗品,该固体经纯化得白色的乙酰水杨酸晶体,采用的“纯化”方法为__________。
加热浓缩、冷却结晶、
过滤洗涤
重结晶
提升
关键能力
8.[2021·湖南,15(1)]以碳酸氢铵和氯化钠为原料制备碳酸钠,并测定产品中少量碳酸氢钠的含量,过程如下:
提升
关键能力
已知:(i)当温度超过35 ℃时,NH4HCO3开始分解。
(ii)相关盐在不同温度下的溶解度表(g/100 g H2O)
晶体A的化学式为__________,晶体A能够析出的原因是_________________________
________________________。
NaHCO3
温度/℃ 0 10 20 30 40 50 60
NaCl 35.7 35.8 36.0 36.3 36.6 37.0 37.3
NH4HCO3 11.9 15.8 21.0 27.0
NaHCO3 6.9 8.2 9.6 11.1 12.7 14.5 16.4
NH4Cl 29.4 33.3 37.2 41.4 45.8 50.4 55.2
在30~35 ℃时NaHCO3的溶
解度最小(答案合理即可)
提升
关键能力
三、沉淀金属离子和除杂条件分析
9.[2021·全国乙卷,26(2)]磁选后的炼铁高钛炉渣,主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源,通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。
提升
关键能力
该工艺条件下,有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表。
金属离子 Fe3+ Al3+ Mg2+ Ca2+
开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4
沉淀完全(c=1.0×10-5 mol·L-1)的pH 3.2 4.7 11.1 13.8
“水浸”后“滤液”的pH约为2.0,在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6,依次析出的金属离子是_____________________。
Fe3+、Al3+、Mg2+
提升
关键能力
10.[2020·北京,18(2)]由硫酸浸出的Mn2+溶出液(含Mn2+、Fe2+、Al3+、Fe3+、H+等)经纯化得Mn2+纯化液。已知:MnO2的氧化性与溶液pH有关。金属离子沉淀的pH如下表:
纯化时先加入MnO2,后加入NH3·H2O,调溶液pH≈5,说明试剂加入顺序及调节pH的原因:__________________________________________________________________
_________________________________。
先加MnO2,可利用溶液的酸性将Fe2+全部氧化为Fe3+,再加NH3·H2O调溶液pH≈5,将Fe3+和Al3+沉淀除去
Fe3+ Al3+ Mn2+ Fe2+
开始沉淀时 1.5 3.4 5.8 6.3
完全沉淀时 2.8 4.7 7.8 8.3
提升
关键能力
11.[2021·山东,17(2)(3)改编]工业上以铬铁矿(FeCr2O4,含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)的工艺流程如图。回答下列问题:
已知:焙烧的目的是将FeCr2O4转化为Na2CrO4并将Al、Si氧化物转化为可溶性钠盐。
提升
关键能力
(2)矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示。当溶液中可溶组分浓度c≤1.0×10-5mol·L-1时,可认为已除尽。
中和时pH的理论范围为________________;
酸化的目的是_____________________________
_________________;Fe元素在________(填操作单元的名称)过程中除去。
4.5≤pH≤9.3
Na2Cr2O7的产率
浸取
提升
关键能力
提升
关键能力
(3)蒸发结晶时,过度蒸发将导致_____________
______________;冷却结晶所得母液中,除Na2Cr2O7外,可在上述流程中循环利用的物质还有________。
副产品中含有
Na2Cr2O7析出
H2SO4
提升
关键能力
四、温度控制分析
12.TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示:
温度/℃ 30 35 40 45 50
TiO2·xH2O转化率/% 92 95 97 93 88
分析40 ℃时,TiO2·xH2O转化率最高的原因:__________________________________
__________________________________________________________________________。
低于40 ℃ TiO2·xH2O转化反应速率随温度的升高而增加;超过40 ℃,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化率下降
提升
关键能力
13.[2021·福建,11(1)(2)(5)]四钼酸铵是钼深加工的重要中间产品,具有广泛的用途。一种以钼精矿(主要含MoS2,还有Cu、Fe的化合物及SiO2等)为原料制备四钼酸铵的工艺流程如图所示。
提升
关键能力
回答下列问题:
(1)“焙烧”产生的气体用________吸收后可制取氮肥。
氨水
“焙烧”产生的气体为SO2,用氨水吸收后可制取氮肥。
提升
关键能力
(2)“浸出”时,MoO3转化为 。提高单位时间内钼浸出率的措施有_________
_________________________________________(任写两种)。
温度对90 min内钼浸出率的影响如图所示。当浸出温度超过80 ℃后,钼的浸出率反而降低,主要原因是温度升高使水大量蒸发,导致__________
_____________________。
(5)“沉淀”时,加入NH4NO3的目的是__________
____________________________。
适当升温、
搅拌、增加Na2CO3用量、增大Na2CO3浓度等
Na2MoO4
晶体析出,混入浸渣
提升
关键能力
五、信息的提取与加工
14.[2022·湖南,17(3)(4)]以钛渣(主要成分为TiO2,含少量V、Si和Al的氧化物杂质)为原料,制备金属钛的工艺流程如下:
提升
关键能力
已知“降温收尘”后,粗TiCl4中含有的几种物质的沸点:
物质 TiCl4 VOCl3 SiCl4 AlCl3
沸点/℃ 136 127 57 180
回答下列问题:
(3)“除钒”过程中的化学方程式为_____________________________;“除硅、铝”过程中,分离TiCl4中含Si、Al杂质的方法是________。
3VOCl3+Al===3VOCl2+AlCl3
蒸馏
提升
关键能力
“降温收尘”后钒元素主要以VOCl3形式存在,加入Al得到VOCl2渣,根据得失电子守恒和物料守恒配平化学方程式为3VOCl3+Al===3VOCl2+AlCl3;AlCl3、SiCl4与TiCl4沸点差异较大,“除硅、铝”过程中可采用蒸馏的方法分离AlCl3、SiCl4。
提升
关键能力
物质 TiCl4 VOCl3 SiCl4 AlCl3
沸点/℃ 136 127 57 180
(4)“除钒”和“除硅、铝”的顺序______(填“能”或“不能”)交换,理由是__________________________________________________________________。
不能
若先“除硅、铝”再“除钒”,“除钒”时需要加入Al,又引入Al杂质
提升
关键能力
15.(2023·山东,17)盐湖卤水(主要含Na+、Mg2+、Li+、Cl-、 和硼酸根等)是锂盐的重要来源。一种以高镁卤水为原料经两段除镁制备Li2CO3的工艺流程如下:
提升
关键能力
已知:常温下,Ksp(Li2CO3)=2.2×10-2 mol3·L-3。相关化合物的溶解度与温度的关系如图所示。
提升
关键能力
回答下列问题:
(1)含硼固体中的B(OH)3在水中存在平衡:B(OH)3+H2O H++[B(OH)4]-(常温下,Ka=10-9.24 mol·L-1);B(OH)3与NaOH溶液反应可制备硼砂Na2B4O5(OH)4·8H2O。常温下,在0.10 mol·L-1硼砂溶液中,[B4O5(OH)4]2-水解
生成等物质的量浓度的B(OH)3和[B(OH)4]-,该水解反
应的离子方程式为_______________________________
_____________,该溶液pH=_______。
[B4O5(OH)4]2-+5H2O 2B(OH)3
+2[B(OH)4]-
9.24
提升
关键能力
(2)滤渣Ⅰ的主要成分是_________________(填化学式);精制Ⅰ后溶液中Li+的浓度为2.0 mol·L-1,则常温下精制Ⅱ过程中 浓度应控制在___________mol·L-1以下。若脱硼后直接进行精制Ⅰ,除无法回收HCl外,还将增加_______________(填化学式)的用量。
Mg(OH)2、CaSO4
5.5×10-3
Na2CO3、CaO
提升
关键能力
(3)精制Ⅱ的目的是_________________________________________________________
____________________________________;进行操作X时应选择的试剂是______,若不进行该操作而直接浓缩,将导致___________________________________________
____________________________________________________________。
加入纯碱将精制Ⅰ所得滤液中的Ca2+转化为CaCO3(或除去精制
Ⅰ所得滤液中的Ca2+),提高Li2CO3纯度
盐酸
浓缩液中因 浓度过大使得Li+过早沉淀,即
浓缩结晶得到的NaCl中会混有Li2CO3,最终所得Li2CO3的产率减小
提升
关键能力
课时精练
1
2
3
4
5
1.利用某钴矿石(主要成分为Co2O3)制取Co(OH)2粗品及其他工业产品的工艺流程如图1所示。
已知:浸出液中含有的阳离子主要有H+、Cu2+、Co2+、Fe2+、Mg2+。
回答下列问题:
(1)钴矿石浸出时加入Na2SO3的目的为____________________。
将Co3+还原为Co2+
1
2
3
4
5
(2)溶液中lg c(X)(X表示Fe3+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Mg2+、Ca2+)与pH的变化关系如图2所示(离子浓度小于10-5 mol·L-1时可认为已除尽),在萃取余液中通入空气的目的是_____________________________________,用熟石灰调pH至3.2,过滤1所得滤渣的主要成分为___________,萃取和反萃取的目的是___________。
氧化浸出液中的Fe2+,便于调pH除去
除去Cu2+
Fe(OH)3
1
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3
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5
(3)用氧化镁调滤液1的pH为9.1时,得到的氢氧化钴粗品中含有的主要杂质为________________,多次洗涤可提高粗产品中钴含量。“过滤2”后所得滤液直接排放会造成水体污染,须进行处理,用熟石灰调节pH使c(Mg2+)≤10-5 mol·L-1,则Ksp[Mg(OH)2]=________ mol3·L-3。
CaSO4、MgSO4
10-10.8
1
2
3
4
5
流程分析:
2.锰常用于制造合金锰钢。某化工厂以软锰矿(主要成分是MnO2,含有SiO2、Fe2O3、CaO等少量杂质)为主要原料制取金属锰的工艺流程如图1所示。
1
2
3
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5
1
2
3
4
5
(1)“浸锰”步骤中往往有副产物MnS2O6生成,温度对“浸锰”反应的影响如图2所示。为减少MnS2O6的生成,“浸锰”的适宜温度是________,“滤渣Ⅰ”的成分是_______________(填化学式)。该步骤中可以再加入MnSO4以促进“滤渣Ⅰ”析出,结合平衡移动原理分析其原因:___________________________________________
_________________________________。
90 ℃
SiO2、CaSO4
CaSO4(s)正向移动,促进CaSO4析出
1
2
3
4
5
(2)“滤液Ⅰ”中需要先加入MnO2充分反应后再调pH,写出加入MnO2时发生反应的离子方程式:___________________________________________。
MnO2+2Fe2++4H+===Mn2++2Fe3++2H2O
1
2
3
4
5
(3)“滤液 Ⅱ”中加入MnF2的目的是除去溶液中的Ca2+,已知25 ℃时,Ksp(CaF2)=3.2×10-11 mol3·L-3,则常温下CaF2在纯水中的溶解度为____________g。
1.56×10-3
流程分析:
常温下CaF2溶解在纯水中,则溶液中2c(Ca2+)=c(F-),由Ksp(CaF2)=c(Ca2+)·c2(F-)可知,Ksp(CaF2)=4c3(Ca2+)=3.2×10-11 mol3·L-3,解得c(Ca2+)=2×10-4 mol·L-1,则饱和CaF2溶液中c(CaF2)=c(Ca2+)
=2×10-4 mol·L-1,则常温下CaF2在纯水中的溶解度为1.56×
10-3 g。
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3
4
5
3.(2023·全国甲卷,26)BaTiO3是一种压电材料。以BaSO4为原料,采用右列路线可制备粉状BaTiO3。
回答下列问题:
(1)“焙烧”步骤中碳粉的主要作用是________________________。
1
2
3
4
5
做还原剂,将BaSO4还原
(2)“焙烧”后固体产物有BaCl2、易溶于水的BaS和微溶于水的CaS。“浸取”时主要反应的离子方程式为________________________。
S2-+Ca2+===CaS↓
(3)“酸化”步骤应选用的酸是____(填标号)。
a.稀硫酸 b.浓硫酸
c.盐酸 d.磷酸
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5
c
1
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5
由流程和题中信息可知,BaSO4与过量的碳粉及过量的氯化钙在高温下焙烧得到CO、BaCl2、易溶于水的BaS和微溶于水的CaS;烧渣经水浸取后过滤,滤渣中含碳粉和CaS,滤液中有BaCl2和BaS;滤液经酸化后浓缩结晶得到BaCl2晶体,溶于水后,加入TiCl4和(NH4)2C2O4将钡离子充分沉淀得到BaTiO(C2O4)2;BaTiO(C2O4)2经热分解得到BaTiO3。
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5
浸取后滤液中主要为BaCl2和BaS,为不引入杂质,“酸化”步骤应选用盐酸。
(4)如果焙烧后的产物直接用酸浸取,是否可行?
__________,其原因是________________
________________________________________________。
1
2
3
4
5
不可行
CaS也会与盐酸反
应生成有毒气体和可溶于水的CaCl2,影
响产品纯度
(5)“沉淀”步骤中生成BaTiO(C2O4)2的化学方程式为___________________________
_____________________________________。
(6)“热分解”生成粉状钛酸钡,产生的 ∶nCO=_________。
BaCl2+TiCl4+2(NH4)2C2O4+
H2O===BaTiO(C2O4)2↓+4NH4Cl+2HCl
1∶1
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5
4.[2022·辽宁,16(1)(2)(3)(4)(5)(6)]某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如右:
已知:①焙烧时过量的MnO2分解为
Mn2O3,FeS2转变为Fe2O3;
②金属活动性:Fe>(H)>Bi>Cu;
1
2
3
4
5
③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下:
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3
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5
开始沉淀pH 完全沉淀pH
Fe2+ 6.5 8.3
Fe3+ 1.6 2.8
Mn2+ 8.1 10.1
回答下列问题:
(1)为提高焙烧效率,可采取的措施为_______。
a.进一步粉碎矿石
b.鼓入适当过量的空气
c.降低焙烧温度
ab
联合焙烧时,进一步粉碎矿石,可以增大矿石与空气的接触面积,能够提高焙烧效率,选项a符合题意;
鼓入适当过量的空气有利于矿石充分反应,选项b符合题意;
降低焙烧温度,反应速率减慢,不利于提高焙烧效率,选项c不符合题意。
1
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3
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1
2
3
4
5
(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3,反
应的化学方程式为_____________________
______________。
(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为:①充分浸出Bi3+和Mn2+;②________________。
(4)滤渣的主要成分为_________(填化学式)。
2Bi2O3+6SO2
抑制金属离子水解
SiO2
(5)生成气体A的离子方程式为_________________________________________。
(6)加入金属Bi的目的是___________________。
Mn2O3+6H++2Cl-===2Mn2++Cl2↑+3H2O
将Fe3+转化为Fe2+
1
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5
由已知信息③知,调pH=2.6时,Fe3+会水解生成Fe(OH)3沉淀,但Fe2+还没开始沉淀,故要将Fe3+转化为Fe2+,在调pH后获得含FeCl2的滤液,为了不引入新的杂质,加入Bi作还原剂。
5.[2022·山东,17(1)(2)(3)节选]工业上以氟磷灰石[Ca5F(PO4)3,含SiO2等杂质]为原料生产磷酸和石膏,工艺流程如下:
1
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3
4
5
回答下列问题:
(1)酸解时有HF产生。氢氟酸与SiO2反应生成二元强酸H2SiF6,离子方程式为________________________________。
1
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5
1
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3
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5
(2)部分盐的溶度积常数见下表。精制Ⅰ中,按物质的量之比n(Na2CO3)∶ =
1∶1加入Na2CO3脱氟,充分反应后,c(Na+)=___________ mol·L-1;再分批加入一定量的BaCO3,首先转化为沉淀的离子是_______。
BaSiF6 Na2SiF6 CaSO4 BaSO4
Ksp 1.0×10-6
mol2·L-2 4.0×10-6
mol3·L-3 9.0×10-4
mol2·L-2 1.0×10-10
mol2·L-2
2.0×10-2
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(3)洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水,原因是_________________________
__________________,回收利用洗涤液X的操作单元是______。
减少CaSO4的溶解损失,提
高产品石膏的产率
酸解
1
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5
CaSO4在硫酸中的溶解度小于在水中的溶解度,因此,洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水的原因是减少CaSO4的溶解损失,提高产品石膏的产率;洗涤液X中含有硫酸,其具有回收利用的价值,由于酸解时使用的也是硫酸,因此,回收利用洗涤液X的操作单元是酸解。
使CrO转化为Cr2O,提高
中和时调节溶液pH目的是将[Al(OH)4]-、SiO转化为沉淀过滤除去,由图可知,当溶液pH≥4.5时,Al3+除尽,当溶液pH>9.3时,H2SiO3会再溶解生成SiO,因此中和时pH的理论范围为4.5≤pH≤9.3;
将Al元素和Si元素除去后,溶液中Cr元素主要以Cr2O和CrO形式存在,降低溶液pH,可提高Na2Cr2O7的产率;Fe元素在“浸取”操作中除去。
MoO
提供NH,
使MoO充分转化为沉淀析出
SO
CO
CO
c(SO)增大,使平衡Ca2+(aq)+SO(aq)
“热分解”生成粉状钛酸钡,该反应的化学方程式为BaTiO(C2O4)2BaTiO3+2CO2↑+2CO↑,因此,产生的 ∶nCO =1∶1。
2Bi2S3+9O2
6HF+SiO2===2H++SiF+2H2O
氢氟酸与SiO2反应生成二元强酸H2SiF6,该反应的离子方程式为6HF+SiO2===2H++SiF+2H2O。
SO
n(SiF)
同时,粗磷酸中还有硫酸钙的饱和溶液,c(Ca2+)=c(SO)= mol·L-1
=3.0×10-2 mol·L-1;分批加入一定量的BaCO3,
精制Ⅰ中,按物质的量之比n(Na2CO3)∶n(SiF)=1∶1加入Na2CO3脱氟,该反应的化学方程式为H2SiF6+Na2CO3===Na2SiF6↓+CO2↑+H2O,充分反应后得到沉淀Na2SiF6,溶液中有饱和的Na2SiF6,且c(Na+)=2c(SiF),
根据Na2SiF6的溶度积可知Ksp=c2(Na+)·c(SiF)=4c3(SiF),c(SiF)= mol·L-1=1.0×10-2 mol·L-1,因此c(Na+)=2c(SiF)=2.0×
10-2 mol·L-1;
当BaSiF6沉淀开始生成时,c(Ba2+)= mol·L-1=1.0×10-4 mol·L-1,
当BaSO4沉淀开始生成时,c(Ba2+)= mol·L-1≈3.3×10-9 mol·L-1溶解度,因此,首先转化为沉淀的离子是SO,然后才是SiF。
$