Question

5．磷矿石主要以磷酸钙[Ca₃（PO₄）₂•H₂O]和磷灰石[Ca₅F（PO₄）₃，Ca₅（OH）（PO₄）₃]等形式存在，图（a）为目前国际上磷矿石利用的大致情况，其中湿法磷酸是指磷矿石用过量硫酸分解制备磷酸，图（b）是热法磷酸生产过程中由磷灰石制单质磷的流程：

部分物质的相关性质如下：

	熔点/℃	沸点/℃	备注
白磷	44	280.5
PH3	-133.8	-87.8	难溶于水、有还原性
SiF4	-90	-86	易水解

回答下列问题：
（1）世界上磷矿石最主要的用途是生产含磷肥料，约占磷矿石使用量的69%；
（2）以磷矿石为原料，湿法磷酸过程中Ca₅F（PO₄）₃反应化学方程式为：Ca₅F（PO₄）₃+5H₂SO₄=3H₃PO₄+5CaSO₄+HF↑．现有1t折合含有P₂O₅约30%的磷灰石，最多可制得到85%的商品磷酸0.49t．
（3）如图（b）所示，热法磷酸生产过程的第一步是将SiO₂、过量焦炭与磷灰石混合，高温反应生成白磷．炉渣的主要成分是CaSiO₃（填化学式）．冷凝塔1的主要沉积物是液态白磷，冷凝塔2的主要沉积物是固态白磷．
（4）尾气中主要含有SiF₄、CO，还含有少量的PH₃、H₂S和HF等．将尾气先通入纯碱溶液，可除去SiF₄、H₂S、HF；再通入次氯酸钠溶液，可除去PH₃．（均填化学式）
（5）相比于湿法磷酸，热法磷酸工艺复杂，能耗高，但优点是产品纯度高．

Answer 1

分析 （1）由图（a）可知生产含磷肥料，约占磷矿石使用量的比例为：4%+96%×85%×80%=69%；
（2）以磷矿石为原料，用过量的硫酸溶解Ca₅F（PO₄）₃可制得磷酸，根据质量守恒书写化学方程式；根据P元素守恒可得关系式P₂O₅～2H₃PO₄，依据此关系式计算；
（3）将SiO₂、过量焦炭与磷灰石混合，高温除了反应生成白磷之外，得到的难溶性固体是CaSiO₃；根据冷却塔1、2的温度与白磷的熔点比较分析白磷的状态；
（4）二氧化硅和HF反应生成四氟化硅气体，过量的焦炭不完全燃烧生成CO，因此在尾气中主要含有SiF₄、CO，还含有少量的PH₃、H₂S和HF等；将尾气通入纯碱溶液，SiF₄、HF、H₂S与碳酸钠反应而除去，次氯酸具有强氧化性，可除掉强还原性的PH₃；
（5）相比于湿法磷酸，热法磷酸工艺所得产品纯度大．

解答 解：（1）由图（a）可知生产含磷肥料，约占磷矿石使用量的比例为：4%+96%×85%×80%=69%，
故答案为：69；
（2）以磷矿石为原料，用过量的硫酸溶解Ca₅F（PO₄）₃可制得磷酸，根据质量守恒定律可得反应的化学方程式为Ca₅F（PO₄）₃+5H₂SO₄=3H₃PO₄+5CaSO₄+HF↑；
根据P元素守恒可得关系式P₂O₅～2H₃PO₄，142份P₂O₅可制取196份磷酸，1t折合含有P₂O₅约30%的磷灰石，含有P₂O₅的质量为0.3t，所以可制得到85%的商品磷酸的质量为$\frac{196×0.3t}{142×85%}$=0.49t，
故答案为：Ca₅F（PO₄）₃+5H₂SO₄=3H₃PO₄+5CaSO₄+HF↑；0.49；
（3）将SiO₂、过量焦炭与磷灰石混合，高温除了反应生成白磷之外，得到的难溶性固体是CaSiO₃；冷却塔1的温度是70℃，280.5℃＞t＞44℃，所以此时主要的沉积物是液态白磷；冷却塔2的温度是18℃，低于白磷的熔点，故此时的主要沉积物是固体白磷，
故答案为：CaSiO₃；液态白磷；固态白磷；
（4）二氧化硅和HF反应生成四氟化硅气体，过量的焦炭不完全燃烧生成CO，因此在尾气中主要含有SiF₄、CO，还含有少量的PH₃、H₂S和HF等；将尾气通入纯碱溶液，SiF₄、HF、H₂S与碳酸钠反应而除去，次氯酸具有强氧化性，可除掉强还原性的PH₃，
故答案为：SiF₄、CO；SiF₄、H₂S、HF；PH₃；
（5）相比于湿法磷酸，热法磷酸工艺复杂，能耗高，但是所得产品纯度大，杂质少，因此逐渐被采用，
故答案为：产品纯度高．

点评 本题考查了制备方案的设计，题目难度中等，涉及磷矿石的主要用途、反应原理和有关计算，该题是高考中的常见题型，试题综合性强，侧重对学生分析问题、解答问题能力的培养和解题方法的指导，明确实验目的、实验原理为解答关键．