Question

11．磷矿石的主要成分是Ca₅F（PO₄）₃，并含有少量MgO、Fe₂O₃等杂质．工业上以磷矿石为原料制备H₃PO₄，一种生产流程如下：

已知：Ca₅F（PO₄）₃+7H₃PO₄→5Ca（H₂PO₄）₂+HF
（1）写出有关操作的名称：Ⅰ过滤、Ⅲ萃取．工艺流程中设计操作Ⅱ与Ⅲ的目的是除去磷酸粗品中的杂质Mg²⁺、Fe³⁺等．
（2）若在实验室里采用此种方法溶解磷矿石，请写出必须的实验注意事项，并说明理由：不能使用玻璃器皿，因为HF会腐蚀玻璃或要在密闭系统中进行，因为HF有剧毒．
（3）磷矿石也可直接用硫酸溶解，两种工艺相比，该工艺的优点是避免生成的石膏沉积在磷矿石表面，阻碍反应顺利进行．
（4）测定产品磷酸的浓度可采用滴定法．准确量取10.00mL磷酸产品（密度为1.526g/cm³）溶于水配成1L溶液；取稀释后的溶液20.00mL，以甲基橙为指示剂，用0.103mol/L标准NaOH溶液滴定；当观察到溶液恰好变色，且在半分钟内不变色，即为滴定终点（生成NaH₂PO₄），消耗标准溶液20.16mL．该实验过程中需要的定量仪器有滴定管、1000mL容量瓶（写名称）．
（5）若理论上滴定应耗用标准溶液20.20mL，则相对误差为-0.2%（按近似计算法则）．该产品中磷酸的质量分数为0.667（保留3位小数）．

Answer 1

分析 磷矿石的主要成分是Ca₅F（PO₄）₃，并含有少量MgO、Fe₂O₃等杂质，磷矿石加入稀磷酸溶解生成磷酸二氢钙和氟化氢，加入硫酸沉淀除除氟，过滤得到彻底石膏，滤液为磷酸粗品，磷酸粗品中含有H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺离子，加入萃取剂萃取，分液后再加入水反萃取，用来除去磷酸粗品中的杂质Mg²⁺、Fe³⁺等，得到溶液浓缩得到较纯净的磷酸；
（1）操作Ⅰ通过过滤分离出石膏，根据图示，磷酸粗品中含有H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺离子，操作Ⅱ、Ⅲ是萃取和反萃取，用来除去磷酸粗品中的杂质Mg²⁺、Fe³⁺等；
（2）HF具有腐蚀性，能够腐蚀玻璃，不能使用玻璃仪器溶解磷矿石；
（3）直接用硫酸溶解磷矿石，生成的石膏会沉积在磷矿石表面；
（3）根据萃取操作用到的仪器完成；根据萃取操作中对萃取剂要求分析；
（4）定量仪器是准确量取溶液的滴定管，配制1L溶液的容量瓶；
（5）相对误差=$\frac{计算值-测量值}{测量值}$，根据生成产物NaH₂PO₄和氢氧化钠的关系式及滴定数据，计算出磷酸产品的质量分数．

解答 解：（1）操作Ⅰ通过过滤分离出石膏，根据图示，磷酸粗品中含有H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺离子，操作Ⅱ、Ⅲ是萃取和反萃取，萃取时，必须满足萃取剂与水互不相溶、萃取的物质在水中的溶解度较小，工艺流程中设计操作Ⅱ与Ⅲ的目的是用来除去磷酸粗品中的杂质Mg²⁺、Fe³⁺等；
故答案为：过滤；萃取；除去磷酸粗品中的杂质Mg²⁺、Fe³⁺等；
（2）若在实验室里采用此种方法溶解磷矿石，由于HF具有腐蚀性，能够腐蚀玻璃，所以不能使用玻璃仪器，或要在密闭系统中进行，因为HF有剧毒，
故答案为：不能使用玻璃器皿，因为HF会腐蚀玻璃或要在密闭系统中进行，因为HF有剧毒；
（3）如果直接用硫酸溶解磷矿石，生成的石膏会沉积在磷矿石表面，该工艺避免了生成的石膏沉积在磷矿石表面，
故答案为：避免生成的石膏沉积在磷矿石表面；
（4）准确量取10.00mL磷酸产品（密度为1.526g/cm³）溶于水配成1L溶液；取稀释后的溶液20.00mL，以甲基橙为指示剂，用0.103mol/L标准NaOH溶液滴定，该实验过程中需要的定量仪器有准确量取溶液的滴定管，配制溶液所需的1000mL的容量瓶；
故答案为：滴定管、1000mL容量瓶；
（5）相对误差=$\frac{计算值-测量值}{测量值}$×100%=$\frac{20.16-20.20}{20.20}$×100%=-0.2%，
磷酸产品的质量是：10.00mL×1.526g/cm³=15.26g，1L磷酸产品配成的溶液消耗0.103mol/L标准NaOH溶液的体积为：20.16mL×$\frac{1000}{20}$=1.008L，
磷酸与氢氧化钠反应的关系式为：H₃PO₄～NaH₂PO₄～NaOH，n（H₃PO₄）=n（NaOH）=0.103mol/L×1.008L≈0.1040mol，
所以该磷酸产品的质量分数为：$\frac{98g/mol×0.1040mol}{1.526g/c{m}^{3}×10ml}$×100%≈66.7%，
故答案为：-0.2%；66.7%．

点评 本题通过工业上以磷矿石为原料制备H₃PO₄的常用方法，充分考查了实验分析及实验操作知识，流程分析判断，物质性质和实验基本操作的理解应用，注意绝对误差和质量分数的计算应用，本题难度中等．