Question

3．锶（Sr）元素广泛存在于矿泉水中，是一种人体必需的微量元素．用天青石（主要成分为SrSO₄，含有少量BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等）制备SrCO₃，工艺流程如图1：

已知：

	SrSO4	BaSO4	SrCO3
Ksp	3.2×10-7	1.1×10-10	1.6×10-10

（1）“浸取转化”过程中发生的化学方程式为：SrSO₄+Na₂CO₃=SrCO₃+Na₂SO₄；当转化完全时，混合液中的c（CO₃^2-）=1.0×10^-3mol•L^-1，则c（SO₄^2-）=2.0mol/L．
（2）滤渣1的主要成分为SiO₂．
（3）“除钡”过程中硫酸不要过量，原因是硫酸过量后会生成SrSO₄沉淀，降低产率．
（4）“沉淀”生成SrCO₃的离子方程式为Sr²⁺+2HCO₃^-=SrCO₃↓+H₂O+CO₂↑．沉淀过程中，温度对Sr²⁺生成SrCO₃反应转化率的影响见图2，60℃之前，锶转化率随温度升高而变大的主要原因是升温有利于CO₂的逸出．
（5）以SrCO₃粉作原料经高温焙烧分解成SrO，再将SrO与铝粉充分混合并压制，真空环境下通过热还原反应可制得金属Sr，同时获得3SrO•Al₂O₃渣团．请写出热还原反应的化学方程式6SrO+2Al$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Sr+3SrO•Al₂O₃．

Answer 1

分析 相同温度时溶解度SrCO₃＜SrSO₄，溶解度大的物质能转化为溶解度小的物质，将天青石矿粉与Na₂CO₃溶液搅拌混匀，发生的离子反应方程式为：SrSO₄+CO₃^2-=SrCO₃+SO₄^2-，由物质的溶解性可知，沉淀为SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等，加入盐酸和硝酸，只有碳酸盐和金属氧化物与盐酸反应，则SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃均与盐酸反应，SiO₂为滤渣1，向所得滤液中加入浓硫酸，能和浓硫酸反应的为钡离子，生成硫酸钡沉淀，然后过滤；向所得滤液中先加入次氯酸，次氯酸具有强氧化性，能将亚铁离子氧化生成铁离子，充分反应后再用氨水调pH约为7，根据生成氢氧化物沉淀pH知，得到的沉淀是Fe（OH）₃、Al（OH）₃，然后过滤；向Ⅳ所得滤液中加入稍过量NH₄HCO₃，发生复分解反应生成沉淀SrCO₃，充分反应后，过滤，将沉淀洗净，烘干，得到SrCO₃．
（1）相同温度时溶解度SrCO₃＜SrSO₄，溶解度大的物质能转化为溶解度小的物质，当转化完成时，根据Ksp（SrCO₃）计算c（Sr²⁺），再根据Ksp（SrSO₄）计算c（SO₄^2-）；
（2）分析过程可知该工艺滤液1含较多的Na⁺、SO₄^2-，滤渣1的主要成分为SiO₂；
（3）K_spSrSO₄较小，硫酸过量后会生成SrSO₄沉淀，降低产率；
（4）K_sp（SrCO₃）=1.6×10^-10，碳酸锶是难溶物，锶离子与碳酸氢根离子反应生成了碳酸锶沉淀；气体的溶解度随着温度的升高而降低；
（5）SrO与铝粉充分反应生成3SrO•Al₂O₃、Sr根据原子守恒书写化学方程式．

解答 解：（1）相同温度时溶解度SrCO₃＜SrSO₄，溶解度大的物质能转化为溶解度小的物质，所以将天青石矿粉和Na₂CO₃溶液充分混合，发生的反应为SrSO₄+Na₂CO₃=SrCO₃+Na₂SO₄，当转化完全时，混合液中的c（CO₃^2-）=1.0×10^-3 mol•L^-1，Ksp（SrSO₄）=3.2×10^-7，Ksp（SrCO₃）=1.6×10^-10，当转化完成时，混合液中c（CO₃^2-）=1.0×10^-3mol/L，
所以c（Sr²⁺）=$\frac{1.6×1{0}^{-10}}{1.0×1{0}^{-3}}$=1.6×10^-7mol/L，c（SO₄^2-）=$\frac{3.2×1{0}^{-7}}{1.6×1{0}^{-7}}$=2.0mol/L，
故答案为：SrSO₄+Na₂CO₃=SrCO₃+Na₂SO₄；2.0mol/L；
（2）将天青石矿粉与Na₂CO₃溶液搅拌混匀，发生的离子反应方程式为：SrSO₄+CO₃^2-=SrCO₃+SO₄^2-，滤液1含较多的Na⁺、SO₄^2-，所以滤液1的主要成分为Na₂SO₄或硫酸钠，由物质的溶解性可知，沉淀为SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂等，加入盐酸和硝酸，只有碳酸盐和金属氧化物与盐酸反应，则SrCO₃、BaCO₃、FeO、Fe₂O₃、Al₂O₃均与盐酸反应，SiO₂为滤渣1，
故答案为：SiO₂；
（3）流程中第二次过滤后，向所得滤液中加入浓硫酸，能和浓硫酸反应的为钡离子，生成硫酸钡沉淀，除去钡离子，若硫酸过量后会生成SrSO₄沉淀，降低产率，
故答案为：硫酸过量后会生成SrSO₄沉淀，降低产率；
（4）由于K_sp（SrCO₃）=1.6×10^-10，碳酸锶是难溶物，锶离子与碳酸氢根离子反应生成了碳酸锶沉淀，反应的离子方程式为：Sr²⁺+2HCO₃^-=SrCO₃↓+CO₂↑+H₂O，气体的溶解度随着温度的升高而降低，60℃之前，锶转化率随温度升高而变大的主要原因是升温有利于CO₂的逸出，
故答案为：Sr²⁺+2HCO₃^-=SrCO₃↓+H₂O+CO₂↑；升温有利于CO₂的逸出；
（5）根据题干信息，SrO与铝粉充分反应生成3SrO•Al₂O₃、Sr，反应方程式为：6SrO+2Al$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Sr+3SrO•Al₂O₃，
故答案为：6SrO+2Al$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Sr+3SrO•Al₂O₃．

点评 本题考查SrCO₃制备实验，制备实验为高频考题，涉及沉淀溶解平衡计算、物质的分离和提纯等知识点，明确各个步骤发生的反应及溶液中存在的微粒成分是解本题关键，难点是判断各个步骤滤液中成分，题目难度中等．