Question

硼及其化合物在工业、医药、农业等部门有许多用途。某工厂以铁硼精矿(主要成分为B₂O₃·2MgO，还有SiO₂、CaO、FeO等杂质)制取制硼酸、金属镁的工艺流程图为：

已知：硼酸在不同温度下的溶解度：

温度(℃)	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
溶解度(g/100g水)	3	3	5	7	9	11	15	18	23	29

回答下列问题：

(1)使用盐酸酸浸，过程中主要反应的化学方程式为_________，为提高浸出速率，可采取的措施有_________(写出两条)。

(2)酸浸时，温度与硼浸出率的关系如图所示，则合适的酸浸温度为_________。

(3)浸出液“氧化”的是将溶液中的Fe²⁺用_______试剂氧化为Fe³⁺，反应的离子方程式为_________。

(4)从滤液中获得H₃BO₃晶体的“操作I”具体操作是_________。

(5)向滤液中加入有机萃取剂萃取分液，此时硼酸处于_________层中(填“有机”或“无机”)。实验室模拟萃取操作使用的玻璃仪器除烧杯外，另一主要玻璃仪器是_________。

(6)某工厂用 m₁ kg的铁硼精矿制备硼酸，得到纯度为99.8%的硼酸m₂ kg，则铁硼精矿中硼的质量分数是__________(列式表达)。

Answer

B2O3·2MgO+4HCl+H2O=2H3BO3+2MgCl2 适当增加盐酸浓度、提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径、充分搅拌等 90~95℃ H2O2(或Cl2) 2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O(或2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-) 蒸发浓缩、冷却结晶、过滤 有机 分液漏斗 ×100%

【解析】

盐酸与铁硼精矿的主要成分B2O3·2MgO发生反应产生H3BO3、MgCl2，杂质CaO、FeO也会发生反应产生CaCl2、FeCl2，过滤除去SiO2，然后向反应后的溶液中加入H2O2或通入Cl2，发生氧化还原反应，FeCl2变为FeCl3，然后调节溶液pH使Fe3+反应转化为Fe(OH)3沉淀，过滤除去，结合硼酸的溶解度与温度的关系，将硼酸晶体从溶液中分离出来；分离后的母液中加入有机物萃取，得到的水层中含有Mg2+，说明硼酸在有机层中，然后利用B元素守恒计算铁硼精矿中硼的质量分数。

(1)使用盐酸酸浸过程中主要反应为铁硼精矿的主要成分B2O3·2MgO与盐酸发生反应产生H3BO3、MgCl2，反应的化学方程式为B2O3·2MgO+4HCl+H2O=2H3BO3+2MgCl2；铁硼精矿是固体物质，为提高浸出速率，可采取的措施可以将铁硼精矿粉碎，也可以提高反应温度、使用较大浓度的盐酸、反应过程中搅拌等；

(2)由酸浸时，温度与硼浸出率的关系图示可知，在90~95℃时硼酸浸出率最高，所以合适的酸浸温度为90~95℃；

(3)浸出液“氧化”的是溶液中的Fe2+，在氧化过程中不能引入新的杂质，可以使用H2O2，也可以使用Cl2水，反应方程式为：2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O(或2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-)；

(4)由硼酸的溶解度与温度的关系可知：温度升高，硼酸的溶解度增大，所以从滤液中获得H3BO3晶体的“操作I”具体操作是将高温下的溶液蒸发浓缩、然后冷却结晶、再进行过滤可得；

(5)分离出硼酸晶体后的滤液中仍然含有一定量的硼酸，向该溶液加入有机萃取剂萃取分液，由于得到的水层中含有可溶的MgCl2，说明硼酸在有机物中，硼酸容易溶解在该有机萃取层中；实验室模拟萃取操作使用的玻璃仪器除烧杯外，另一主要玻璃仪器是分液漏斗；

(6)纯度为99.8%的硼酸m2 kg中含有B元素的质量为m(B)=kg，由于产生该硼酸需消耗 m1 kg的铁硼精矿， 所以铁硼精矿中硼的质量分数×100%=×100%。