Question

9．利用氟磷灰石[（Ca₅（PO₄）₃F）]生產磷銨[（NH₄）₃PO₄]并制取硫酸、聯產水泥．其工藝流程如圖1所示：

（1）操作I的名稱過濾；在實驗室中操作II包括蒸發濃縮、冷卻結晶．
（2）沸騰槽的材質是附有聚偏氟乙烯防腐層的石墨（從“玻璃”、“鋼鐵”、“附有聚偏氟乙烯防腐層的石墨”中選擇），選擇的理由是因為在酸性且加熱條件下，鋼鐵易被溶解，反應產生HF，HF能腐蝕玻璃
（3）工業上還可以用氟磷灰石與焦炭、石英砂混合，在電爐中加熱到1500℃生成白磷，同時逸出SiF₄和CO，反應方程式為：4Ca₅（PO₄）₃F+21SiO₂+30C$\frac{\underline{\;1500℃\;}}{\;}$20CaSiO₃+3P₄+SiF₄↑+30CO↑．
（4）黏土中有一種成分為石脂（Al₂[OH]₄Si₂O₅•nH₂O），其用氧化物表示為Al₂O₃•2SiO₂•（n+2）H₂O．
（5）已知SO₂的催化氧化反應為2SO₂（g）十O₂（g）?2SO₃（g）△H＜0．
從化學反應原理的角度說明催化氧化時使用熱交換器的原因移去反應中放出的熱量，使反應后的氣體降溫并預熱未反應的氣體．
（6）制硫酸所產生的尾氣除了含有N₂、O₂外，還含有SO₂、微量的SO₃和酸霧．擬用圖2所示的裝置測定硫酸尾氣中SO₂的含量：若下列各組中的試劑，前者濃度為0.1mol•L^-1，后者適量，溶液體積為5mL；通入尾氣10L（已換算為標準狀況）時反應管中的溶液恰好變色．判斷下列試劑組能否測定硫酸尾氣中SO₂的體積分數．能者，確定SO₂的體積分數；不能者，說明原因．

編號	試劑組	結論
①	NaOH溶液、酚酞試液
②	Na2CO3溶液、酚酞試液
③	碘水、淀粉溶液
④	KMnO4溶液、稀硫酸

Answer 1

分析 氟磷灰石粉碎富集后，在沸騰槽中用濃硫酸酸化得到硫酸鈣、磷酸和HF氣體，操作Ⅰ過濾分離得到石膏與磷酸．裝置Ⅰ中磷酸與氨氣發生反應，可以生成（NH₄）₃PO₄、（NH₄）₂HPO₄、NH₄H₂PO₄，操作Ⅱ是由溶液中析出晶體，應為蒸發濃縮、冷卻結晶等操作，銨鹽受熱容易分解，在結晶時應采用低溫蒸發結晶．在經過過濾分離得到磷銨，分離得到濾液進行循環利用．石膏在干燥機中脫水、再還原反應得到二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣等氣體，氣體處理后在熱交換器中發生催化氧化得到三氧化硫，三氧化硫轉化為硫酸，再循環利用．CaO與黏土等高溫反應得到水泥．
（1）操作Ⅰ是把固體與液體分開，應為過濾；操作Ⅱ是由溶液中析出晶體，應萃取蒸發濃縮、冷卻結晶等操作；
（2）根據在沸騰槽中用濃硫酸酸化氟磷灰石得到硫酸鈣、磷酸和HF氣體分析判斷；
（3）氟磷灰石與焦炭、石英砂混合在電爐中加熱到1500℃發生反應生成白磷、SiF₄和CO；
（4）根據原子守恒用氧化物表示石脂（Al₂[OH]₄Si₂O₅•nH₂O）；
（5）移去反應中放出的熱量，使反應后的氣體降溫并預熱未反應的氣體；
（6）SO₂、微量的SO₃和酸霧都能與氫氧化鈉、碳酸鈉反應，不能測定二氧化硫的含量，利用SO₂的還原性采用滴定法測定其含量，可以用氧化劑酸性KMnO₄溶液、碘水等氧化，根據方程式進行計算．

解答 解：（1）操作Ⅰ是把固體與液體分開，應為過濾；操作Ⅱ是由溶液中析出晶體，應為蒸發濃縮、冷卻結晶等操作，故答案為：過濾；蒸發濃縮，冷卻結晶；
（2）因為在沸騰槽中用濃硫酸酸化氟磷灰石得到硫酸鈣、磷酸和HF氣體，則反應生成酸性且加熱，鋼鐵易被溶解，反應又產生HF，HF能腐蝕玻璃
，所以沸騰槽選附有聚偏氟乙烯防腐層的石墨，故答案為：附有聚偏氟乙烯防腐層的石墨；因為在酸性且加熱條件下，鋼鐵易被溶解，反應產生HF，HF能腐蝕玻璃；
（3）氟磷灰石與焦炭、石英砂混合在電爐中加熱到1500℃發生反應生成白磷、SiF₄和CO，反應方程式為：4Ca₅（PO₄）₃F+21SiO₂+30C$\frac{\underline{\;1500℃\;}}{\;}$20CaSiO₃+3P₄+SiF₄↑+30CO↑，故答案為：4Ca₅（PO₄）₃F+21SiO₂+30C$\frac{\underline{\;1500℃\;}}{\;}$20CaSiO₃+3P₄+SiF₄↑+30CO↑；
（4）石脂（Al₂[OH]₄Si₂O₅•nH₂O），根據原子守恒，其用氧化物表示為Al₂O₃•2SiO₂•（n+2）H₂O；
故答案為：Al₂O₃•2SiO₂•（n+2）H₂O；
（5）催化氧化時使用熱交換器的原因是：移去反應中放出的熱量，使反應后的氣體降溫并預熱未反應的氣體，
故答案為：移去反應中放出的熱量，使反應后的氣體降溫并預熱未反應的氣體；
（6）①NaOH溶液與SO₂、微量的SO₃和酸霧反應，測量的SO₂含量偏高，故不能，故答案為：不能，因為SO₂、微量的SO₃和酸霧均可以與NaOH溶液反應，測量的SO₂含量偏高；
②Na₂CO₃溶液與SO₂、微量的SO₃和酸霧反應，測量的SO₂含量偏高，故不能，故答案為：不能，因為Na₂CO₃溶液與SO₂、微量的SO₃和酸霧反應，測量的SO₂含量偏高；
③硫酸尾氣中只有SO₂能被碘水氧化，溶液顏色由藍色變為無色，則根據SO₂+I₂+H₂O=2HI+H₂SO₄，所以SO₂的含量為$\frac{0.1×5×10{\;}^{-3}×22.4}{10}$×100%=0.112%，答：硫酸尾氣中SO₂的體積分數為0.112%；
④硫酸尾氣中只有SO₂能被酸性KMnO₄溶液氧化，溶液顏色由紫紅色變為無色，則根據2KMnO₄+5SO₂+2H₂O=K₂SO₄+2MnSO₄+2H₂SO₄，所以SO₂的含量為$\frac{0.1×5×10{\;}^{-3}×\frac{5}{2}×22.4}{10}$×100%=0.28%，答：硫酸尾氣中SO₂的體積分數為0.28%．

點評 本題考查制備方案設計工藝流程，涉及物質的分離提純、基本操作、平衡移動原理、物質含量測定等，是對基礎知識的綜合應用，難度中等．