Question

20．鍶（Sr）元素廣泛存在于礦泉水中，是一種人體必需的微量元素．用天青石（主要成分為SrSO₄，含有少量BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等）制備SrCO₃，工藝流程如圖1：

已知：

	SrSO4	BaSO4	SrCO3
Ksp	3.2×10-7	1.1×10-10	1.6×10-10

（1）“浸取轉(zhuǎn)化”過程中發(fā)生的化學(xué)方程式為：SrSO₄+Na₂CO₃=SrCO₃+Na₂SO₄；當(dāng)轉(zhuǎn)化完全時(shí)，混合液中的c（CO₃^2-）=1.0×10^-3 mol•L^-1，則c（SO₄^2-）=2.0mol/L．
（2）濾液1的主要成分為Na₂SO₄或硫酸鈉；濾渣1的主要成分為SiO₂．
（3）“除鋇”過程中硫酸不要過量，原因是硫酸過量后會(huì)生成SrSO₄沉淀，降低產(chǎn)率．
（4）“沉淀”生成SrCO₃的離子方程式為Sr²⁺+2HCO₃^-=SrCO₃↓+H₂O+CO₂↑．
沉淀過程中，溫度對Sr²⁺生成SrCO₃反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響見如圖2，60℃之前，鍶轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而變大的主要原因是升溫有利于CO₂的逸出
（5）以SrCO₃粉作原料經(jīng)高溫焙燒分解成SrO，再將SrO與鋁粉充分混合并壓制，真空環(huán)境下通過熱還原反應(yīng)可制得金屬Sr，同時(shí)獲得3SrO•Al₂O₃渣團(tuán)．請寫出熱還原反應(yīng)的化學(xué)方程式6SrO+2Al$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Sr+3SrO•Al₂O₃．

Answer 1

分析 相同溫度時(shí)溶解度SrCO₃＜SrSO₄，溶解度大的物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為溶解度小的物質(zhì)，將天青石礦粉與Na₂CO₃溶液攪拌混勻，發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為：SrSO₄+CO₃^2-=SrCO₃+SO₄^2-，由物質(zhì)的溶解性可知，沉淀為SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等，加入鹽酸和硝酸，只有碳酸鹽和金屬氧化物與鹽酸反應(yīng)，則SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃均與鹽酸反應(yīng)，SiO₂為濾渣1，向所得濾液中加入濃硫酸，能和濃硫酸反應(yīng)的為鋇離子，生成硫酸鋇沉淀，然后過濾；向所得濾液中先加入次氯酸，次氯酸具有強(qiáng)氧化性，能將亞鐵離子氧化生成鐵離子，充分反應(yīng)后再用氨水調(diào)pH約為7，根據(jù)生成氫氧化物沉淀pH知，得到的沉淀是Fe（OH）₃、Al（OH）₃，然后過濾；向Ⅳ所得濾液中加入稍過量NH₄HCO₃，發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成沉淀SrCO₃，充分反應(yīng)后，過濾，將沉淀洗凈，烘干，得到SrCO₃．
（1）相同溫度時(shí)溶解度SrCO₃＜SrSO₄，溶解度大的物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為溶解度小的物質(zhì)，當(dāng)轉(zhuǎn)化完成時(shí)，根據(jù)Ksp（SrCO₃）計(jì)算c（Sr²⁺），再根據(jù)Ksp（SrSO₄）計(jì)算c（SO₄^2-）；（2）分析過程可知該工藝濾液1含較多的Na⁺、SO₄^2-，濾渣1的主要成分為SiO₂；
（3）K_spSrSO₄較小，硫酸過量后會(huì)生成SrSO₄沉淀，降低產(chǎn)率；
（4）K_sp（SrCO₃）=1.6×10^-10，碳酸鍶是難溶物，鍶離子與碳酸氫根離子反應(yīng)生成了碳酸鍶沉淀；氣體的溶解度隨著溫度的升高而降低；
（5）SrO與鋁粉充分反應(yīng)生成3SrO•Al₂O₃、Sr根據(jù)原子守恒書寫化學(xué)方程式．

解答 解：（1）相同溫度時(shí)溶解度SrCO₃＜SrSO₄，溶解度大的物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為溶解度小的物質(zhì)，所以將天青石礦粉和Na₂CO₃溶液充分混合，發(fā)生的反應(yīng)為SrSO₄+Na₂CO₃=SrCO₃+Na₂SO₄，當(dāng)轉(zhuǎn)化完全時(shí)，混合液中的c（CO₃^2-）=1.0×10^-3 mol•L^-1，Ksp（SrSO₄）=3.2×10^-7，Ksp（SrCO₃）=1.6×10^-10，當(dāng)轉(zhuǎn)化完成時(shí)，混合液中c（CO₃^2-）=1.0×10^-3mol/L，
所以c（Sr²⁺）=$\frac{1.6×1{0}^{-10}}{1.0×1{0}^{-3}}$=1.6×10^-7mol/L，c（SO₄^2-）=$\frac{3.2×1{0}^{-7}}{1.6×1{0}^{-7}}$=2.0mol/L，
故答案為：SrSO₄+Na₂CO₃=SrCO₃+Na₂SO₄；2.0mol/L；
（2）將天青石礦粉與Na₂CO₃溶液攪拌混勻，發(fā)生的離子反應(yīng)方程式為：SrSO₄+CO₃^2-=SrCO₃+SO₄^2-，濾液1含較多的Na⁺、SO₄^2-，所以濾液1的主要成分為Na₂SO₄或硫酸鈉，由物質(zhì)的溶解性可知，沉淀為SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等，加入鹽酸和硝酸，只有碳酸鹽和金屬氧化物與鹽酸反應(yīng)，則SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃均與鹽酸反應(yīng)，SiO₂為濾渣1，
故答案為：Na₂SO₄或硫酸鈉；SiO₂；
（3）流程中第二次過濾后，向所得濾液中加入濃硫酸，能和濃硫酸反應(yīng)的為鋇離子，生成硫酸鋇沉淀，除去鋇離子，若硫酸過量后會(huì)生成SrSO₄沉淀，降低產(chǎn)率，
故答案為：硫酸過量后會(huì)生成SrSO₄沉淀，降低產(chǎn)率；
（4）由于K_sp（SrCO₃）=1.6×10^-10，碳酸鍶是難溶物，鍶離子與碳酸氫根離子反應(yīng)生成了碳酸鍶沉淀，反應(yīng)的離子方程式為：Sr²⁺+2HCO₃^-=SrCO₃↓+CO₂↑+H₂O，氣體的溶解度隨著溫度的升高而降低，60℃之前，鍶轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而變大的主要原因是升溫有利于CO₂的逸出，
故答案為：Sr²⁺+2HCO₃^-=SrCO₃↓+H₂O+CO₂↑；升溫有利于CO₂的逸出；
（5）根據(jù)題干信息，SrO與鋁粉充分反應(yīng)生成3SrO•Al₂O₃、Sr，反應(yīng)方程式為：6SrO+2Al$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Sr+3SrO•Al₂O₃，
故答案為：6SrO+2Al$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Sr+3SrO•Al₂O₃．

點(diǎn)評 本題考查SrCO₃制備實(shí)驗(yàn)，制備實(shí)驗(yàn)為高頻考題，涉及沉淀溶解平衡計(jì)算、物質(zhì)的分離和提純等知識點(diǎn)，明確各個(gè)步驟發(fā)生的反應(yīng)及溶液中存在的微粒成分是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是判斷各個(gè)步驟濾液中成分，題目難度中等．