Question

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

已知：Ca₅F（PO₄）₃+7H₃PO₄→5Ca（H₂PO₄）₂+HF
（1）寫出有關操作的名稱：Ⅰ過濾、Ⅲ萃取．工藝流程中設計操作Ⅱ與Ⅲ的目的是除去磷酸粗品中的雜質Mg²⁺、Fe³⁺等．
（2）若在實驗室里采用此種方法溶解磷礦石，請寫出必須的實驗注意事項，并說明理由：不能使用玻璃器皿，因為HF會腐蝕玻璃或要在密閉系統中進行，因為HF有劇毒．
（3）磷礦石也可直接用硫酸溶解，兩種工藝相比，該工藝的優點是避免生成的石膏沉積在磷礦石表面，阻礙反應順利進行．
（4）測定產品磷酸的濃度可采用滴定法．準確量取10.00mL磷酸產品（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標準NaOH溶液滴定；當觀察到溶液恰好變色，且在半分鐘內不變色，即為滴定終點（生成NaH₂PO₄），消耗標準溶液20.16mL．該實驗過程中需要的定量儀器有滴定管、1000mL容量瓶（寫名稱）．
（5）若理論上滴定應耗用標準溶液20.20mL，則相對誤差為-0.2%（按近似計算法則）．該產品中磷酸的質量分數為0.667（保留3位小數）．

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，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）根據萃取操作用到的儀器完成；根據萃取操作中對萃取劑要求分析；
（4）定量儀器是準確量取溶液的滴定管，配制1L溶液的容量瓶；
（5）相對誤差=$\frac{計算值-測量值}{測量值}$，根據生成產物NaH₂PO₄和氫氧化鈉的關系式及滴定數據，計算出磷酸產品的質量分數．

解答 解：（1）操作Ⅰ通過過濾分離出石膏，根據圖示，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、萃取的物質在水中的溶解度較小，工藝流程中設計操作Ⅱ與Ⅲ的目的是用來除去磷酸粗品中的雜質Mg²⁺、Fe³⁺等；
故答案為：過濾；萃取；除去磷酸粗品中的雜質Mg²⁺、Fe³⁺等；
（2）若在實驗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，或要在密閉系統中進行，因為HF有劇毒，
故答案為：不能使用玻璃器皿，因為HF會腐蝕玻璃或要在密閉系統中進行，因為HF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）準確量取10.00mL磷酸產品（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標準NaOH溶液滴定，該實驗過程中需要的定量儀器有準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%，
磷酸產品的質量是：10.00mL×1.526g/cm³=15.26g，1L磷酸產品配成的溶液消耗0.103mol/L標準NaOH溶液的體積為：20.16mL×$\frac{1000}{20}$=1.008L，
磷酸與氫氧化鈉反應的關系式為：H₃PO₄～NaH₂PO₄～NaOH，n（H₃PO₄）=n（NaOH）=0.103mol/L×1.008L≈0.1040mol，
所以該磷酸產品的質量分數為：$\frac{98g/mol×0.1040mol}{1.526g/c{m}^{3}×10ml}$×100%≈66.7%，
故答案為：-0.2%；66.7%．

點評 本題通過工業上以磷礦石為原料制備H₃PO₄的常用方法，充分考查了實驗分析及實驗操作知識，流程分析判斷，物質性質和實驗基本操作的理解應用，注意絕對誤差和質量分數的計算應用，本題難度中等．