Question

菱鎂礦是堿性耐火材料的主要原料，其主要的化學成分是：MgCO₃，同時含有雜質：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等；目前以菱鎂礦為主要原料制備MgSO₄的方法如下：

已知：①常溫下，Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺開始形成氫氧化物沉淀和沉淀完全時的pH值如下：

	Fe3+	Al3+	Mg2+
開始沉淀	2．1	3．7	9．0
沉淀完全	3．2	5．2	12．4

②MgSO₄·7H₂O在70～80℃時失去3個結晶水，300℃時失去全部的結晶水；
（1）用平衡原理解釋：菱鎂礦粉粹后加熱生成的氧化鎂可以溶解在硫酸銨溶液中的原因                                                                     。
（2）在該工業流程中，可以循環使用的物質是             。
（3）步驟③中氨氣和硫酸恰好完全反應，取此時所得的溶液10.00mL配成250mL溶液，配制溶液過程中除燒杯、玻璃棒、膠頭滴管、酸式滴定管外，還需要的玻璃儀器有：             ；經檢測所配制的溶液pH=1，c(SO₄²ˉ)=1.05mol/L，試求算所配制溶液中NH₄⁺ 水解的平衡常數K（寫計算過程，計算結果保留三位有效數字）。
（4）在加熱條件下雜質中的三氧化二鐵溶于硫酸銨的離子反應方程式是：
                                                                      。
（5）蒸發結晶過程中需要使用60～70℃水浴加熱方式，其原因是                 。

Answer 1

（16分）
（1）因NH₄⁺+H₂ONH₃·H₂O+H⁺，MgO+ 2H⁺=Mg²⁺+H₂O，氧化鎂消耗氫離子，銨根離子水解平衡向右進行，不斷提供H⁺使MgO不斷溶解（3分）（寫出兩個方程式就給2分，平衡向右移動給1分）
（2）(NH₄)₂SO₄（2分）
（3）250ml容量瓶（2分，沒有規格不給分）   K=5.00×10^－3 mol?Lˉ¹（計算過程見解析）
（4）Fe₂O₃+ 6NH₄⁺ =6NH₃↑+2Fe³⁺+3H₂O(條件：加熱)（沒有寫條件和氣體呼號扣1分，沒配平扣1分；共2分）
（5）避免加熱蒸發過程中MgSO₄·7H₂O失去部分或全部的結晶水（2分）

試題分析：（1）硫酸銨溶液中存在如下水解平衡：NH₄⁺+H₂ONH₃?H₂O+H⁺，氧化鎂與氫離子反應，生成鎂離子和水，減小氫離子濃度，促進銨根離子的水解平衡右移，生成的氫離子又溶解菱鎂礦粉粹后加熱生成的氧化鎂；（2）步驟③生成硫酸銨，步驟②消耗硫酸銨，說明該工藝流程中，硫酸銨是可以循環利用的物質；（3）配制250mL溶液需要的玻璃儀器是燒杯、玻璃棒、250mL容量瓶、膠頭滴管、酸式滴定管等；氨氣和硫酸反應所得溶液中含有H⁺、NH₄⁺、OH^－，根據電荷守恒原理可得：c(H⁺)+c(NH₄⁺)=2c(SO₄²ˉ)，由于pH=1，則溶液中c(H⁺)=0.1mol/L，c(SO₄²ˉ)=1.05mol/L，所以c(NH₄⁺)=2.0mol/L；由于(NH₄)₂SO₄=2NH₄⁺+SO₄²ˉ，則沒有水解時c(NH₄⁺)="2" c(SO₄²ˉ)=2.1mol/L；由三行數據法得：
NH₄⁺+H₂ONH₃?H₂O+H⁺
各組分起始濃度/mol?Lˉ¹       2.1             0      0
各組分變化濃度/mol?Lˉ¹       0.1            0.1     0.1
各組分平衡濃度/mol?Lˉ¹       2.0            0.1     0.1
K===5.00×10^－3 mol?Lˉ¹；
（4）先寫硫酸銨水解反應：NH₄⁺+H₂ONH₃·H₂O+H⁺，再寫Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，前者×6+后者可得：Fe₂O₃+6NH₄⁺+3H₂O=6NH₃·H₂O+2Fe³⁺，加熱時6NH₃·H₂O 6NH₃+6H₂O，則Fe₂O₃+6NH₄⁺=6NH₃↑+2Fe³⁺+3H₂O；（5）蒸發結晶得到的目標產物是MgSO₄·7H₂O，加熱溫度過低，蒸發結晶速率過低，加熱溫度過高，結晶析出的MgSO₄·7H₂O失去部分或全部的結晶水，因此蒸發結晶過程中需要使用60～70℃水浴加熱方式。