Question

菱镁矿是碱性耐火材料的主要原料，其主要的化学成分是：MgCO₃，同时含有杂质：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等；目前以菱镁矿为主要原料制备MgSO₄的方法如下：

已知：①常温下，Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺开始形成氢氧化物沉淀和沉淀完全时的pH值如下：

	Fe3+	Al3+	Mg2+
开始沉淀	2．1	3．7	9．0
沉淀完全	3．2	5．2	12．4

②MgSO₄·7H₂O在70～80℃时失去3个结晶水，300℃时失去全部的结晶水；
（1）用平衡原理解释：菱镁矿粉粹后加热生成的氧化镁可以溶解在硫酸铵溶液中的原因                                                                     。
（2）在该工业流程中，可以循环使用的物质是             。
（3）步骤③中氨气和硫酸恰好完全反应，取此时所得的溶液10.00mL配成250mL溶液，配制溶液过程中除烧杯、玻璃棒、胶头滴管、酸式滴定管外，还需要的玻璃仪器有：             ；经检测所配制的溶液pH=1，c(SO₄²ˉ)=1.05mol/L，试求算所配制溶液中NH₄⁺ 水解的平衡常数K（写计算过程，计算结果保留三位有效数字）。
（4）在加热条件下杂质中的三氧化二铁溶于硫酸铵的离子反应方程式是：
                                                                      。
（5）蒸发结晶过程中需要使用60～70℃水浴加热方式，其原因是                 。

Answer 1

（16分）
（1）因NH₄⁺+H₂ONH₃·H₂O+H⁺，MgO+ 2H⁺=Mg²⁺+H₂O，氧化镁消耗氢离子，铵根离子水解平衡向右进行，不断提供H⁺使MgO不断溶解（3分）（写出两个方程式就给2分，平衡向右移动给1分）
（2）(NH₄)₂SO₄（2分）
（3）250ml容量瓶（2分，没有规格不给分）   K=5.00×10^－3 mol?Lˉ¹（计算过程见解析）
（4）Fe₂O₃+ 6NH₄⁺ =6NH₃↑+2Fe³⁺+3H₂O(条件：加热)（没有写条件和气体呼号扣1分，没配平扣1分；共2分）
（5）避免加热蒸发过程中MgSO₄·7H₂O失去部分或全部的结晶水（2分）

试题分析：（1）硫酸铵溶液中存在如下水解平衡：NH₄⁺+H₂ONH₃?H₂O+H⁺，氧化镁与氢离子反应，生成镁离子和水，减小氢离子浓度，促进铵根离子的水解平衡右移，生成的氢离子又溶解菱镁矿粉粹后加热生成的氧化镁；（2）步骤③生成硫酸铵，步骤②消耗硫酸铵，说明该工艺流程中，硫酸铵是可以循环利用的物质；（3）配制250mL溶液需要的玻璃仪器是烧杯、玻璃棒、250mL容量瓶、胶头滴管、酸式滴定管等；氨气和硫酸反应所得溶液中含有H⁺、NH₄⁺、OH^－，根据电荷守恒原理可得：c(H⁺)+c(NH₄⁺)=2c(SO₄²ˉ)，由于pH=1，则溶液中c(H⁺)=0.1mol/L，c(SO₄²ˉ)=1.05mol/L，所以c(NH₄⁺)=2.0mol/L；由于(NH₄)₂SO₄=2NH₄⁺+SO₄²ˉ，则没有水解时c(NH₄⁺)="2" c(SO₄²ˉ)=2.1mol/L；由三行数据法得：
NH₄⁺+H₂ONH₃?H₂O+H⁺
各组分起始浓度/mol?Lˉ¹       2.1             0      0
各组分变化浓度/mol?Lˉ¹       0.1            0.1     0.1
各组分平衡浓度/mol?Lˉ¹       2.0            0.1     0.1
K===5.00×10^－3 mol?Lˉ¹；
（4）先写硫酸铵水解反应：NH₄⁺+H₂ONH₃·H₂O+H⁺，再写Fe₂O₃+6H⁺=2Fe³⁺+3H₂O，前者×6+后者可得：Fe₂O₃+6NH₄⁺+3H₂O=6NH₃·H₂O+2Fe³⁺，加热时6NH₃·H₂O 6NH₃+6H₂O，则Fe₂O₃+6NH₄⁺=6NH₃↑+2Fe³⁺+3H₂O；（5）蒸发结晶得到的目标产物是MgSO₄·7H₂O，加热温度过低，蒸发结晶速率过低，加热温度过高，结晶析出的MgSO₄·7H₂O失去部分或全部的结晶水，因此蒸发结晶过程中需要使用60～70℃水浴加热方式。