Question

资源的高效利用对保护环境、促进经济持续健康发展具有重要作用。磷尾矿主要含Ca₅(PO₄)₃F和CaCO₃·MgCO₃ 。某研究小组提出了磷尾矿综合利用的研究方案，制备具有重要工业用途的CaCO₃、Mg(OH)₂、P₄和H₂，其简化流程如下：

已知：①Ca₅(PO₄)₃F在950℃不分解；

②4Ca₅(PO₄)₃F+18SiO₂+30C2CaF₂+30CO+18CaSiO₃+3P₄

请回答下列问题：

（1）950℃煅烧磷尾矿生成气体的主要成分是___________。

（2）实验室过滤所需的玻璃仪器是_____________。

（3）NH₄NO₃溶液能从磷矿Ⅰ中浸取出Ca²⁺的原因是__________。

（4）在浸取液Ⅱ中通入NH₃，发生反应的化学方程式是____________。

（5）工业上常用磷精矿[Ca₅(PO₄)₃F]和硫酸反应制备磷酸。已知25℃，101kPa时：

CaO(s)+H₂SO₄(l)=CaSO₄(s)+H₂O(l)                  ΔH=-271kJ/mol

5 CaO(s)+3H₃PO₄(l)+HF(g)= Ca₅(PO₄)₃F (s)+5H₂O(l)     ΔH=-937kJ/mol

则Ca₅(PO₄)₃F和硫酸反应生成磷酸的热化学方程式是_________________。

（6）在一定条件下CO(g)+H₂O(g) CO₂(g)+H₂(g)，当CO与H₂O(g)的起始物质的量之比为1:5，达平衡时，CO转化了。若a kg含Ca₅(PO₄)₃F（相对分子质量为504）的质量分数为10%的磷尾矿，在上述过程中有b%的Ca₅(PO₄)₃F转化为P₄，将产生的CO与H₂O(g)按起始物质的量之比1:3混合，则相同条件下达平衡时能产生H₂________kg。

Answer

（1）CO2

（2）漏斗、烧杯、玻璃棒

（3）NH4＋ 水解使溶液呈酸性，与CaO、Ca(OH)2反应生成Ca2＋

（4）MgSO4+2NH3+2H2O===Mg(OH)2↓+(NH4)2SO4

（5）Ca5(PO4)3F (s)+ 5H2SO4(l)=5CaSO4(s) +H3PO4(l)+HF(g) ΔH =-418kJ/mol

（6）

【解析】

试题分析：（1）根据题给化学工艺流程和信息①知磷尾矿[主要含Ca5(PO4)3F和CaCO3·MgCO3 ]在950℃下煅烧，其中碳酸钙和碳酸镁分解，生成气体的成分为二氧化碳（CO2）。

（2）实验室过滤所需的玻璃仪器是烧杯、漏斗和玻璃棒。

（3）NH4NO3溶液中铵离子水解呈酸性，与CaO、Ca(OH)2反应生成Ca2＋。

（4）根据化学工艺流程判断浸取液II的主要成分为硫酸镁溶液，通入NH3，发生反应的化学方程式是MgSO4+2NH3+2H2O===Mg(OH)2↓+(NH4)2SO4 。

（5）已知25℃，101kPa时：

①CaO(s)+H2SO4(l)=CaSO4(s)+H2O(l) ΔH =-271kJ/mol

②5 CaO(s)+3H3PO4(l)+HF(g)= Ca5(PO4)3F (s)+5H2O(l) ΔH =-937kJ/mol

根据盖斯定律：①×5-②得Ca5(PO4)3F和硫酸反应生成磷酸的热化学方程式是Ca5(PO4)3F (s)+ 5H2SO4(l)=5CaSO4(s) +H3PO4(l)+HF(g) ΔH =-418kJ/mol 。

（6）根据题给数据利用三段式分析。设CO的起始浓度为1 mol/L，则水蒸气的起始浓度为5 mol/L

CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)

起始浓度（mol/L）1 5 0 0

转化浓度（mol/L）5/6 5/6 5/6 5/6

平衡浓度（mol/L）1/6 25/6 5/6 5/6

则K=c(CO2)c(H2)/c(CO)c(H2O)=1。相同条件下当CO与H2O(g)的起始物质的量之比为1:3，平衡常数不变，设转化的CO为x mol。

CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)

起始浓度（mol/L）1 3 0 0

转化浓度（mol/L）x x x x

平衡浓度（mol/L）(1-x) (3-x) x x

则x2/(1-x)(3-x)=1,解得x=3/4，即达平衡时，CO转化了3/4 mol。转化为P4的Ca5(PO4)3F质量为a×10%×b%kg，根据反应4Ca5(PO4)3F+18SiO2+30C2CaF2+30CO+18CaSiO3+3P4知生成CO的质量为（30×28×a×10%×b%）/（4×504）kg，则转化的CO的质量为3（30×28×a×10%×b%）/4（4×504）kg，根据反应：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)知相同条件下达平衡时能产生H2的质量为3（30×28×a×10%×b%）/56（4×504）kg=kg。

【考点定位】考查化学工艺流程分析，化学实验基本操作，化学方程式和热化学方程式的书写，盖斯定律，化学平衡和化学计算。

【名师点睛】本题以磷尾矿的综合利用的化学工艺流程为载体考查化学实验基本操作，化学方程式和热化学方程式的书写，盖斯定律，化学平衡和化学计算。工艺流程题联系生产实际，考查面广，形式灵活，是近几年高考命题的热点题型。它集元素化合物知识，基本概念和基本理论于一体，考查面广、综合性强。它们的主要考查点有：(1)从原料到产品元素不同形式的转化。(2)反应中的原理考查及反应条件控制。(3)物质的除杂、分离与检验。(4)化工生产中的环保、节能、循环利用等生产成本控制。(5)原料投料比及产率计算等。工艺流程题就是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问，是无机框图题的创新。解题时首先要明确原料和产品(包括副产品)，即箭头进出方向；其次依据流程图分析反应原理，紧扣信息，搞清流程中每一步发生了什么反应，弄清有关反应原理，明确目的(如沉淀反应、除杂、分离)；最后联系储存的知识，有效进行信息的利用，准确表述和工整书写。由于工艺流程常与溶液的配制、物质的分离及定量测定等基本操作有机结合起来，需要复习时牢固掌握实验基础知识，才能有效结合题中的信息，准确答题。（5）小题要注意盖斯定律的应用，（6）小题将平衡计算和根据化学方程式计算相结合，题目的思考容量大，计算较繁琐，是本题的失分点。题目较难。