氯化镧与磷酸氢根和碳酸根的反应原理

一、 与磷酸氢根（HPO₄²⁻）的反应

1. 核心原理与方程式

磷酸氢根（HPO₄²⁻）是一个两性离子，既可作为酸（给出质子 H⁺），也可作为碱（接受质子 H⁺）。它与 La³⁺ 的反应，本质上是 La³⁺ 作为硬酸，优先与 HPO₄²⁻ 中的氧原子（硬碱）配位，形成稳定的络合物，最终沉淀为磷酸镧（LaPO₄）。

化学方程式：

LaCl₃ (aq) + Na₂HPO₄ (aq) → LaPO₄ (s) ↓ + 2NaCl (aq) + HCl (aq)

这个方程式表明，反应会生成盐酸（HCl），使溶液的 pH 值降低。

离子方程式：

La³⁺ (aq) + HPO₄²⁻ (aq) ⇌ LaPO₄ (s) ↓ + H⁺ (aq)

2. pH 值的关键作用

这个反应对 pH 值极其敏感，主要体现在以下几点：

反应的 pH 范围：反应通常在弱酸性至中性条件下进行（pH ≈ 4-7）。

pH 过低（强酸性）：如果溶液中 H⁺浓度过高，H⁺会与 HPO₄²⁻反应，将其转化为更质子化的形式：

HPO₄²⁻ + H⁺ → H₂PO₄⁻

这会导致溶液中自由的 PO₄³⁻或 HPO₄²⁻浓度急剧下降，使得 La³⁺无法有效沉淀，甚至不产生沉淀。

pH 过高（碱性）：如果溶液中 OH⁻浓度过高，La³⁺会优先与 OH⁻反应生成更难溶的氢氧化镧（La (OH)₃）沉淀：

La³⁺ (aq) + 3OH⁻ (aq) → La(OH)₃ (s) ↓

这会干扰目标产物 LaPO₄的生成，导致产物不纯。

最佳实践：为了获得纯净的 LaPO₄沉淀，通常会使用缓冲溶液（如醋酸 - 醋酸钠缓冲液）来精确控制反应体系的 pH 值，或者在滴加过程中缓慢调节 pH，以确保反应按预期进行。

二、 与碳酸根（CO₃²⁻）的反应

1. 核心原理与方程式

碳酸根（CO₃²⁻）是一个强碱，极易从水中夺取质子生成碳酸氢根（HCO₃⁻）和碳酸（H₂CO₃）。它与 La³⁺的反应非常迅速且彻底，生成难溶的碳酸镧（La₂(CO₃)₃）。

化学方程式：

2LaCl₃ (aq) + 3Na₂CO₃ (aq) → La₂(CO₃)₃ (s) ↓ + 6NaCl (aq)

离子方程式：

2La³⁺ (aq) + 3CO₃²⁻ (aq) → La₂(CO₃)₃ (s) ↓

2. pH 值的关键作用

碳酸根的强碱性决定了其反应的 pH 环境：

反应的 pH 范围：反应在中性至强碱性条件下进行。

CO₃²⁻的水解：CO₃²⁻在水中会发生强烈的水解：

CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻

这使得含有 CO₃²⁻的溶液本身就呈碱性。

pH 过低（酸性或弱酸性）：如果溶液呈酸性，H⁺会与 CO₃²⁻反应，使其分解：

CO₃²⁻ + 2H⁺ → H₂O + CO₂ (g) ↑

二氧化碳（CO₂）气体的逸出会导致溶液中 CO₃²⁻浓度迅速降低，可能无法生成 La₂(CO₃)₃沉淀，或者沉淀溶解。

最佳实践：为了确保 La³⁺完全沉淀，通常会使用稍过量的 Na₂CO₃溶液，这不仅能提供充足的 CO₃²⁻，还能维持溶液的碱性环境，抑制 La (OH)₃的生成（尽管在强碱性下仍需小心控制）。

在污水除磷工艺中，氯化镧的作用是将水溶性的磷 “固定” 成不溶于水的磷酸镧，而真正的 “消除” 是通过絮凝沉淀等物理手段将其从水体中分离出来，并最终随污泥进行妥善处理和处置。

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