Question

10．重鉻酸鈉（Na₂Cr₂O₇•2H₂O）是一種重要的化工原料，具有強氧化性，工業上用鉻鐵礦（主要成分：FeO•Cr₂O₃，還含有少量的SiO₂、Al₂O₃）通過以下流程（圖1）來制取重鉻酸鈉晶體（Na₂Cr₂O₇）．回答下列問題．

（1）試劑X與硫酸均是調節溶液pH的，為何不用硫酸直接將溶液pH調整至酸化塔中溶液的pH？溶液中偏鋁酸鈉會變成鋁離子，無法除去鋁元素．寫出兩種能提高鉻元素浸出率的措施：加熱、攪拌、將鉻鐵礦粉碎等．
（2）氧化階段發生多個反應，如SiO₂，Al₂O₃分別與Na₂CO₃反應轉化為可溶性的鈉鹽，FeO•Cr₂O₃，則轉化為Fe₂O₃，Na₂CrO₄，寫出FeO•Cr₂O₃與Na₂CO₃反應的方程式4FeO•Cr₂O₃+7O₂+8Na₂CO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8Na₂CrO₄+8CO₂↑．
（3）酸化時主要反應的離子方程式為2CrO₄^2-+2H⁺=Cr₂O₇^2-+H₂O．
（4）有關物質的溶解度與溫度之間的關系如圖2所示，則操作Ⅰ的內容是蒸發濃縮，趁熱過濾，晶體a的化學式是Na₂SO₄；進行操作Ⅱ的過程中實驗時的溫度最好控制在50～80℃，溶液b送入到酸化塔的目的是使鉻元素充分利用．
（5）假設鉻鐵礦中鉻元素的質量分數為a%，若10t的鉻鐵礦經過上述處理后可得到Na₂Cr₂O₇（式量為262）的質量為0.2a t，則轉化過程中鉻元素的利用率為79.4%．（精確到0.1）

Answer 1

分析 鉻鐵礦（主要成分：FeO•Cr₂O₃，還含有少量的SiO₂、Al₂O₃），加入純堿、空氣氧化，SiO₂，Al₂O₃分別與Na₂CO₃反應轉化為可溶性的Na₂SiO₃和NaAlO₂，以及二氧化碳氣體，FeO•Cr₂O₃，則轉化為Fe₂O₃、Na₂CrO₄，加入氫氧化鈉溶液堿浸得渣料Ⅰ為Fe₂O₃，調節溶液的pH值7～8，使NaAlO₂產生氫氧化鋁沉淀，Na₂SiO₃產生H₂SiO₃沉淀，所以渣料Ⅱ為Al（OH）₃、H₂SiO₃，在溶液中加入硫酸酸化，得Na₂CrO₄、Na₂SO₄混合溶液，根據溶解度曲線圖可知，將溶液蒸發濃縮，趁熱過濾得到晶體a為硫酸鈉晶體，然后將得到的濾液冷卻結晶過濾得到Na₂Cr₂O₇•2H₂O，溶液中含有Na₂Cr₂O₇，再回到酸化塔中，進行循環利用，以此解答該題．

解答 解：鉻鐵礦（主要成分：FeO•Cr₂O₃，還含有少量的SiO₂、Al₂O₃），加入純堿、空氣氧化，SiO₂，Al₂O₃分別與Na₂CO₃反應轉化為可溶性的Na₂SiO₃和NaAlO₂，以及二氧化碳氣體，FeO•Cr₂O₃，則轉化為Fe₂O₃、Na₂CrO₄，加入氫氧化鈉溶液堿浸得渣料Ⅰ為Fe₂O₃，調節溶液的pH值7～8，使NaAlO₂產生氫氧化鋁沉淀，Na₂SiO₃產生H₂SiO₃沉淀，所以渣料Ⅱ為Al（OH）₃、H₂SiO₃，在溶液中加入硫酸酸化，得Na₂CrO₄、Na₂SO₄混合溶液，根據溶解度曲線圖可知，將溶液蒸發濃縮，趁熱過濾得到晶體a為硫酸鈉晶體，然后將得到的濾液冷卻結晶過濾得到Na₂Cr₂O₇•2H₂O，溶液中含有Na₂Cr₂O₇，再回到酸化塔中，進行循環利用，
（1）試劑X與硫酸均是調節溶液pH的，如果用硫酸直接將溶液pH調整至酸化塔中溶液的pH，則溶液中偏鋁酸鈉會變成鋁離子，無法除去鋁元素，提高鉻元素浸出率的措施是加熱、攪拌、將鉻鐵礦粉碎等，
故答案為：溶液中偏鋁酸鈉會變成鋁離子，無法除去鋁元素；加熱、攪拌、將鉻鐵礦粉碎等；
（2）FeO•Cr₂O₃與Na₂CO₃反應被空氣中的氧氣氧化，生成Fe₂O₃、Na₂CrO₄，反應的方程式為4FeO•Cr₂O₃+7O₂+8Na₂CO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8Na₂CrO₄+8CO₂↑，
故答案為：4FeO•Cr₂O₃+7O₂+8Na₂CO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Fe₂O₃+8Na₂CrO₄+8CO₂↑；
（3）酸化時主要反應的離子方程式為2CrO₄^2-+2H⁺=Cr₂O₇ ^2-+H₂O，
故答案為：2CrO₄^2-+2H⁺=Cr₂O₇ ^2-+H₂O；
（4）根據上面的分析可知，操作Ⅰ的內容是 蒸發濃縮，趁熱過濾，晶體a的化學式是 Na₂SO₄，進行操作Ⅱ為冷卻結晶過濾，過程中實驗時的溫度最好控制在 50～80℃，溶液b中含有Na₂Cr₂O₇，再回到酸化塔中，使鉻元素充分利用，
故答案為：蒸發濃縮，趁熱過濾；Na₂SO₄；50～80；使鉻元素充分利用；
（5）鉻鐵礦中鉻元素的質量分數為a%，10t的鉻鐵礦經過上述處理后可得到Na₂Cr₂O₇的質量為0.2at，則轉化過程中鉻元素的利用率為$\frac{\frac{0.2at}{262}×2×52}{10t×a%}$×100%=79.4%，
故答案為：79.4%．

點評 本題考查了物質制備的流程分析判斷，物質性質和實驗操作的分析應用，把握晶體析出的原理和溶解度變化特征的分析是解題關鍵，題目難度中等，側重于考查學生的實驗能力、分析問題、解決問題的能力．