Question

11．磷礦石的主要成分是Ca₅F（PO₄）₃，并含有少量MgO、Fe₂O₃等雜質(zhì)．工業(yè)上以磷礦石為原料制備H₃PO₄，一種生產(chǎn)流程如下：

已知：Ca₅F（PO₄）₃+7H₃PO₄→5Ca（H₂PO₄）₂+HF
（1）寫出有關(guān)操作的名稱：Ⅰ過濾、Ⅲ萃�。�工藝流程中設(shè)計操作Ⅱ與Ⅲ的目的是除去磷酸粗品中的雜質(zhì)Mg²⁺、Fe³⁺等．
（2）若在實(shí)驗(yàn)室里采用此種方法溶解磷礦石，請寫出必須的實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，并說明理由：不能使用玻璃器皿，因?yàn)镠F會腐蝕玻璃或要在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，因?yàn)镠F有劇毒．
（3）磷礦石也可直接用硫酸溶解，兩種工藝相比，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是避免生成的石膏沉積在磷礦石表面，阻礙反應(yīng)順利進(jìn)行．
（4）測定產(chǎn)品磷酸的濃度可采用滴定法．準(zhǔn)確量取10.00mL磷酸產(chǎn)品（密度為1.526g/cm³）溶于水配成1L溶液；取稀釋后的溶液20.00mL，以甲基橙為指示劑，用0.103mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定；當(dāng)觀察到溶液恰好變色，且在半分鐘內(nèi)不變色，即為滴定終點(diǎn)（生成NaH₂PO₄），消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液20.16mL．該實(shí)驗(yàn)過程中需要的定量儀器有滴定管、1000mL容量瓶（寫名稱）．
（5）若理論上滴定應(yīng)耗用標(biāo)準(zhǔn)溶液20.20mL，則相對誤差為-0.2%（按近似計算法則）．該產(chǎn)品中磷酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.667（保留3位小數(shù)）．

Answer 1

分析 磷礦石的主要成分是Ca₅F（PO₄）₃，并含有少量MgO、Fe₂O₃等雜質(zhì)，磷礦石加入稀磷酸溶解生成磷酸二氫鈣和氟化氫，加入硫酸沉淀除除氟，過濾得到徹底石膏，濾液為磷酸粗品，磷酸粗品中含有H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺離子，加入萃取劑萃取，分液后再加入水反萃取，用來除去磷酸粗品中的雜質(zhì)Mg²⁺、Fe³⁺等，得到溶液濃縮得到較純凈的磷酸；
（1）操作Ⅰ通過過濾分離出石膏，根據(jù)圖示，磷酸粗品中含有H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺離子，操作Ⅱ、Ⅲ是萃取和反萃取，用來除去磷酸粗品中的雜質(zhì)Mg²⁺、Fe³⁺等；
（2）HF具有腐蝕性，能夠腐蝕玻璃，不能使用玻璃儀器溶解磷礦石；
（3）直接用硫酸溶解磷礦石，生成的石膏會沉積在磷礦石表面；
（3）根據(jù)萃取操作用到的儀器完成；根據(jù)萃取操作中對萃取劑要求分析；
（4）定量儀器是準(zhǔn)確量取溶液的滴定管，配制1L溶液的容量瓶；
（5）相對誤差=$\frac{計算值-測量值}{測量值}$，根據(jù)生成產(chǎn)物NaH₂PO₄和氫氧化鈉的關(guān)系式及滴定數(shù)據(jù)，計算出磷酸產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

解答 解：（1）操作Ⅰ通過過濾分離出石膏，根據(jù)圖示，磷酸粗品中含有H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺離子，操作Ⅱ、Ⅲ是萃取和反萃取，萃取時，必須滿足萃取劑與水互不相溶、萃取的物質(zhì)在水中的溶解度較小，工藝流程中設(shè)計操作Ⅱ與Ⅲ的目的是用來除去磷酸粗品中的雜質(zhì)Mg²⁺、Fe³⁺等；
故答案為：過濾；萃取；除去磷酸粗品中的雜質(zhì)Mg²⁺、Fe³⁺等；
（2）若在實(shí)驗(yàn)室里采用此種方法溶解磷礦石，由于HF具有腐蝕性，能夠腐蝕玻璃，所以不能使用玻璃儀器，或要在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，因?yàn)镠F有劇毒，
故答案為：不能使用玻璃器皿，因?yàn)镠F會腐蝕玻璃或要在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，因?yàn)镠F有劇毒；
（3）如果直接用硫酸溶解磷礦石，生成的石膏會沉積在磷礦石表面，該工藝避免了生成的石膏沉積在磷礦石表面，
故答案為：避免生成的石膏沉積在磷礦石表面；
（4）準(zhǔn)確量取10.00mL磷酸產(chǎn)品（密度為1.526g/cm³）溶于水配成1L溶液；取稀釋后的溶液20.00mL，以甲基橙為指示劑，用0.103mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定，該實(shí)驗(yàn)過程中需要的定量儀器有準(zhǔn)確量取溶液的滴定管，配制溶液所需的1000mL的容量瓶；
故答案為：滴定管、1000mL容量瓶；
（5）相對誤差=$\frac{計算值-測量值}{測量值}$×100%=$\frac{20.16-20.20}{20.20}$×100%=-0.2%，
磷酸產(chǎn)品的質(zhì)量是：10.00mL×1.526g/cm³=15.26g，1L磷酸產(chǎn)品配成的溶液消耗0.103mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液的體積為：20.16mL×$\frac{1000}{20}$=1.008L，
磷酸與氫氧化鈉反應(yīng)的關(guān)系式為：H₃PO₄～NaH₂PO₄～NaOH，n（H₃PO₄）=n（NaOH）=0.103mol/L×1.008L≈0.1040mol，
所以該磷酸產(chǎn)品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：$\frac{98g/mol×0.1040mol}{1.526g/c{m}^{3}×10ml}$×100%≈66.7%，
故答案為：-0.2%；66.7%．

點(diǎn)評 本題通過工業(yè)上以磷礦石為原料制備H₃PO₄的常用方法，充分考查了實(shí)驗(yàn)分析及實(shí)驗(yàn)操作知識，流程分析判斷，物質(zhì)性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)基本操作的理解應(yīng)用，注意絕對誤差和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計算應(yīng)用，本題難度中等．