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高考化学三轮专项突破 类型8 化学工艺流程课件PPT
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这是一份高考化学三轮专项突破 类型8 化学工艺流程课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了化学工艺流程，类型8等内容，欢迎下载使用。
2021
分类突破PPT
第二篇——非选择题
化学工艺流程
PART 02
类型8
考向1 以非金属元素为主角化学工艺流程试题是全国卷的必考题型。化学工艺流程题就是把化工生产过程中的重要生产工序和主要流程用框图形式表示出来,并围绕生产流程中涉及的有关化学知识和原理设置问题,形成与化工生产紧密联系的化学工艺试题。题中涉及的非金属元素从常见的氯、硅、硫、氮等元素,延伸到硼、砷等元素。解题时抓住一个关键点:一切反应或操作都是为获得产品而服务的。首先要明确原料和产品(包括副产品),即箭头进出方向,其次依据流程图分析反应原理,紧扣信息,搞清流程中每一步发生了什么反应——知其然,弄清有关反应原理,明确目的(如沉淀反应、除杂、分离)——知其所以然,最后联系储存的知识,有效地利用信息,结合成本(原料是否廉价易得)、环保(是否符合绿色化学的要求)、现实等角度思考,准确表述和工整书写。
例1(2019年全国Ⅰ卷,26)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:
回答下列问题:(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为 。 (2)“滤渣1”的主要成分有 。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+离子,可选用的化学试剂是 。 (3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3+H2O H++B(OH,Ka=5.81×10-10,可判断H3BO3是 ————酸;在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是 。 (4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为———————— ,母液经加热后可返回 工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是 。
NH4HCO3+NH3 (NH4)2CO3
SiO2、Fe2O3、Al2O3
KSCN
一元弱
转化为H3BO3,促进析出
溶浸
高温焙烧
1.(2020年安徽省皖江联盟高三联考)碲(52Te)被誉为“国防与尖端技术的维生素”。工业上常用铜阳极泥(主要成分是Cu2Te,含Ag、Au等杂质)为原料提取碲并回收金属,其工艺流程如图:
已知:TeO2微溶于水,易与较浓的强酸、强碱反应。回答下列问题:(1)已知Te为第ⅥA族元素,TeO2被浓NaOH溶液溶解,所生成盐的化学式为 。 (2)“酸浸1”过程中,为加快浸出速率,可采取的方法有—————————— (填1种)。“酸浸2”时温度过高会使Te的浸出率降低,原因是___________________ __________ ________ 。 (3)“酸浸1”过程中,控制溶液的酸度使Cu2Te转化为TeO2,反应的化学方程式为 ;“还原”过程中,发生反应的离子方程式为 。
Na2TeO3
升高温度、增大压强、加快搅拌速度
温度过高会使浓盐酸挥发而降低盐酸的浓度,使Te的浸出率降低
(4)工业上也可用电解法从铜阳极泥中提取碲,方法是将铜阳极泥在空气中焙烧使碲转化为TeO2,再用NaOH溶液碱浸,以石墨为电极电解所得溶液获得Te。电解过程中阴极上的电极反应式为 。在阳极区溶液中检验出有TeO42-存在,生成TeO42-的原因是 。 (5)常温下,向1 mol·L-1 Na2TeO3溶液中滴加盐酸,当溶液pH=5时,c(TeO32-)∶c(H2TeO3)= 。(已知:H2TeO3的Ka1=1.0×10-3,Ka2=2.0×10-8)
1∶5
2.(2020年山东省德州市高三模拟)目前中药在世界医学界越来越受到关注。中药药剂砒霜(主要成分为As2O3)可用于治疗急性白血病。工业上利用酸性高浓度含砷废水[砷主要以亚砷酸(H3AsO3)形式存在]提取As2O3的工艺流程如下:
已知:As2S3与过量的S2-存在反应As2S3(s)+3S2-(aq) 2AsS33-(aq)。回答下列问题:(1)H3AsO3是一种两性偏酸性的化合物,该化合物中As元素的化合价为 。 (2)“沉砷”中FeSO4的作用是_____________________________________. (3)“焙烧”过程产生的气体A的化学式为 ,检验该气体常用的试剂为 。 (4)调节pH=0时,发现酸性越强,As2O3的产率越高。可能的原因是_________________________. ________________________________________________________________________________获得As2O3固体的系列操作是 、 、 。 (5)残留废渣中的少量砒霜(As2O3)可以用双氧水氧化成H3AsO4而除去,该反应的化学方程式为 。
+3
SO2
品红溶液
过滤
洗涤
干燥
解析：酸性高浓度含砷废水中加入硫化钠、硫酸亚铁,发生反应产生As2S3和FeS,其中硫酸亚铁可除去过量的S2-,过滤得到的滤渣中含有As2S3和FeS,焙烧滤渣,可生成As2O3、Fe2O3,向其中加入NaOH溶液生成Na3AsO3,Na3AsO3被氧化成Na3AsO4,生成的气体A为SO2,SO2与Na3AsO4在酸性条件下发生氧化还原反应生成As2O3。(3)滤渣中含有As2S3和FeS,焙烧滤渣,As、Fe转化为As2O3、Fe2O3,S元素转化为SO2气体,所以“焙烧”过程产生的气体A的化学式为SO2;SO2气体具有漂白性,可使品红溶液褪色,所以检验该气体常用的试剂为品红溶液。(4)调节pH=0时,由Na3AsO4与净化的SO2气体反应制备As2O3的离子方程式为2AsO43-+2SO2+2H+ As2O3+2SO42-+H2O,溶液酸性越强,溶液中c(H+)越大,化学平衡正向移动,有利于提高As2O3的产率,且溶液酸性越强,微粒的还原性、氧化性也会越强,使反应更容易进行。
3.(2020年6月河南省三模)熔盐级硝酸钠大量应用于太阳能储热介质,一种以工业纯碱(纯度为98%,杂质为NaCl)和生产硝酸产生的NO废气(含NO、NO2)为原料分离亚硝酸钠并制取熔盐级硝酸钠的工艺流程如图所示。回答下列问题:
(1)纯碱“吸收”NO、NO2,发生主要反应的化学方程式为 。“中和液”所含溶质除NaCl及少量Na2CO3外,还有 (填化学式)。 (2)向母液A中加入稀硝酸,生成物中有NO,写出“转化”时加入稀硝酸反应的离子方程式: 。 (3)“洗涤”时可以使用母液 (填“A”或“B”),晶体“纯化”的方法为 (填操作名称)。 (4)“步骤3”需要高温分离NaCl固体,原因是 ,母液D可返回步骤____ (填“2”或“3”)循环使用。 (5)若得到NaNO2、NaNO3两种产品的物质的量之比为2∶1,假定Na2CO3恰好完全反应,则生产1.38 t NaNO2时,工业纯碱的理论用量为 t(保留3位有效数字)。
NaNO2、NaNO3
B
重结晶
防止NaNO3的析出
3
1.62
解析：根据工艺流程图,用纯碱溶液吸收氮氧化合物,反应生成CO2和NaNO2,中和后得到的中和液经步骤1得到NaNO2晶体和含有NaNO2的母液A,加入稀硝酸并通入空气进行转化得到NO和NaNO3,再加入适量的纯碱中和稀硝酸,经步骤2得到含有NaNO3的母液B和NaNO3晶体,母液B经高温分离出NaCl和热母液C,再经步骤4得到含NaNO3的冷母液D和NaNO3晶体,最终经洗涤、纯化得到熔盐级硝酸钠。(1)根据上述分析,用纯碱溶液吸收氮氧化合物,发生反应生成CO2和NaNO2,反应的化学方程式为Na2CO3+NO+NO2 2NaNO2+CO2;“中和液”所含溶质除NaCl及少量Na2CO3外,还含有生成的NaNO2及NaNO3。(2)“转化”过程中,含有NaNO2的母液A与加入的稀硝酸反应生成NO和NaNO3,反应的离子方程式为3NO22-+2H+ NO33-+2NO↑+H2O。
考向2 以金属元素为主角化学工艺流程是将化工生产过程中主要生产阶段以流程框图形式呈现出来,涉及的知识包含元素及其化合物的性质,物质的制备、分离、提纯等化学问题。无机化工流程题拓展了高考考查空间,将紧密联系一些考查角度:(1)考查元素:从常见元素逐步扩展到一些热点元素,如Pb、Ga、Ge、V、Cr、Mo、W等。(2)化学原理:涉及的化学原理主要有氧化还原反应、离子反应、难溶物转化、化学反应速率的影响因素等。(3)实验操作:主要涉及混合物的分离,如过滤、结晶、分液、萃取等重要物理操作;产品中杂质离子的检验、验证沉淀是否洗涤干净等。(4)计算角度:联系原料纯度(质量分数)、转化率、损失率、产率等计算产品质量,尤其是用三种滴定操作(沉淀滴定、酸碱中和滴定、氧化还原反应滴定)来测定样品中某元素的含量或产品纯度。
例2(2020年山东新高考卷,16)用软锰矿(主要成分为MnO2,含少量Fe3O4、Al2O3)和BaS制备高纯MnCO3的工艺流程如下:
已知:MnO2是一种两性氧化物;25 ℃时相关物质的Ksp见下表。
回答下列问题:(1)软锰矿预先粉碎的目的是 ,MnO2与BaS溶液反应转化为MnO的化学方程式为 。 (2)保持BaS投料量不变,随MnO2与BaS投料比增大,S的量达到最大值后无明显变化,而Ba(OH)2的量达到最大值后会减小,减小的原因是 。
增大接触面积,充分反应,提高反应速率
过量的MnO2消耗了产生的Ba(OH)2
(3)滤液Ⅰ可循环使用,应当将其导入 操作中(填操作单元的名称)。 (4)净化时需先加入的试剂X为 (填化学式),再使用氨水调溶液的pH,则pH的理论最小值为 (当溶液中某离子浓度c≤1.0×10-5 mol·L-1时,可认为该离子沉淀完全)。 (5)碳化过程中发生反应的离子方程式为——————————————
蒸发
H2O2
4.9
解析：本题主要考查制备MnCO3的工艺流程,考查学生对元素化合物的理解能力和综合运用能力。(1)软锰矿预先粉碎可以增大反应物的接触面积,使反应更充分,提高反应速率;酸解后再过滤得到硫黄,根据后续流程可知产物还有Ba(OH)2,结合元素守恒可得化学方程式为MnO2+BaS+H2O Ba(OH)2+MnO+S。(2)MnO2为两性氧化物,当MnO2过量时,其会与产生的Ba(OH)2发生反应。(3)滤液Ⅰ为结晶后剩余的Ba(OH)2饱和溶液,所以应导入蒸发操作中循环使用。
1.(2020年5月江西省南昌二中高三模拟)一种以辉铜矿(主要成分为Cu2S,含少量SiO2)为原料制备硝酸铜晶体的工艺流程如图所示:
(1)写出“浸取”过程中Cu2S溶解时发生反应的离子方程式: 。(2)恒温“浸取”的过程中发现铜元素的浸取速率先增大后减小,有研究指出CuCl2是该反应的催化剂,该过程的反应原理可用化学方程式表示为①Cu2S+2CuCl2 4CuCl+S;② 。 (3)向滤液M中加入(或通入) (填字母),所得物质可循环利用。 A.铁 B.氯气 C.高锰酸钾 D.氯化氢
B
CuCl+FeCl3 CuCl2+FeCl2
(4)“保温除铁”过程中,加入CuO的目的是————————————————； 向浓缩池中加入适量HNO3的作用是 。操作1是 。 (5)某探究性小组的研究成果如图所示,可以用废铜屑和黄铜矿来富集Cu2S。通入的硫化氢的作用是 ,当转移0.2 mol电子时,生成Cu2S mol。
调节溶液的pH,使铁完全转化为Fe(OH)3沉淀
抑制Cu2+的水解
冷却(降温)结晶
催化剂
0.2
【解析】(1)浸取过程中Fe3+将Cu2S氧化成Cu2+和硫单质,本身被还原为Fe2+,根据得失电子守恒和元素守恒可得其离子方程式为Cu2S+4Fe3+ 2Cu2++4Fe2++S。(2)根据CuCl2是该反应的催化剂可知,最终产物为CuCl2,可得反应②为三氯化铁将氯化亚铜氧化为氯化铜。(3)M中的主要物质为氯化亚铁,通入氯气可生成氯化铁,实现循环使用。(4)“保温除铁”过程要除去Fe3+,故需要加入氧化铜来调节pH,使Fe3+转化为氢氧化铁沉淀;Cu2+会水解,故在蒸发浓缩、冷却结晶过程中需要加入硝酸来抑制其水解。(5)从图中可知,反应前后硫化氢的质量和性质没有发生改变,故硫化氢为催化剂;在该转化中Cu被氧化成Cu2S,化合价升高为+1,CuFeS2被还原成Cu2S,化合价降低为-1,根据得失电子守恒,当转移0.2 mol电子时,生成0.2 mol Cu2S。
2.(2020年5月河南省名师联盟高三联考)高锰酸钾是锰的重要化合物和常用的氧化剂。如图是在实验室中制备KMnO4晶体的流程:
回答下列问题:(1)在实验流程中,操作①和②均需在坩埚中进行,根据实验实际应选择 (填字母)。 A.铁坩埚 B.石英坩埚C.瓷坩埚 D.氧化铝坩埚(2)“熔融物”中KClO3应过量的原因除了提高MnO2利用率外,还有 。 (3)操作④是使K2MnO4转化为KMnO4和MnO2,该转化过程中发生反应的离子方程式为 ————————————————————。若溶液碱性过强,则MnO4-又会转化为MnO42-,同时产生无色气体,该转化过程中发生反应的离子方程式为———————————— 。
A
KClO3会分解
(4)还可采用电解K2MnO4溶液(绿色)的方法制备KMnO4(装置如图所示)。①电解过程中右侧石墨电极的电极反应式为 。 ②随着电解的进行,溶液逐渐由绿色变为紫色。但若电解时间过长,溶液颜色又会转变成绿色,可能的原因是——————————————————————————————————————————。 ③为避免产生该现象,请提出改进装置的措施: 。
在两电极之间增加阳离子交换膜,阴极室用氢氧化钾溶液,阳极室用锰酸钾溶液
【解析】
3.(2020年6月山东省威海市高三二模)Ni(OH)2可作为合成镍钴锰三元电极材料的原料,工业上可用红土镍矿(主要成分为NiO、FeO、Fe2O3、MgO和SiO2)制备,工艺流程如图所示。
回答下列问题:(1)“滤渣1”的成分为 (写化学式)。 (2)“除铁”中,加入NaClO的目的是 ,为了证明加入的NaClO已足量,可选择的试剂是 (填字母)。 A.KSCN溶液、氯水 B.K3[Fe(CN)6] 溶液 C.NaOH溶液 (3)已知“滤渣2”的成分为黄钠铁矾,其化学式为NaFe3(SO4)2(OH)6,则“除铁”中“Na2CO3/△”条件下生成滤渣2的离子方程式为 ————————————。
SiO2
将Fe2+氧化成Fe3+
B
(4)“除镁”中,若溶液pH过小,Mg2+沉淀不完全,原因是 。 (5)“沉镍”的离子方程式为 。 (6)以镍钴锰三元材料(可简写为Li1-nMO2)为一极电极材料的新型锂电池工作原理如图所示,放电时总反应为Li1-nMO2+LinC6 LiMO2+6C,则充电时b极的电极反应式为————————————————————。
F-与H+结合形成弱电解质HF,使MgF2 Mg2++2F-平衡向右移动
(1)滤渣1的成分为不溶于稀硫酸的SiO2。(2)加入NaClO可以将Fe2+氧化成Fe3+。当NaClO足量时,溶液中Fe元素以Fe3+的形式存在,不含Fe2+,所以只要证明溶液中没有Fe2+就可以说明NaClO足量。由于溶液中存在Fe3+,所以滴加KSCN溶液,溶液会显红色,再加氯水没有明显变化,无法检验Fe2+,故A项不符合题意;Fe2+可以和K3[Fe(CN)6]溶液反应生成蓝色沉淀,故B项符合题意;加NaOH溶液会产生Fe(OH)3沉淀,即便有Fe2+,产生的Fe(OH)2沉淀也会被迅速氧化,而且Fe(OH)3沉淀的颜色会覆盖掉Fe(OH)2的颜色,所以无法通过NaOH溶液判断是否有Fe2+,故C项不符合题意。
【解析】
能力1 化学工艺流程图审题
1.流程图的结构特点
(1)首尾主线分析:原料→中间转化物质→目标产物。跟踪主要物质(元素)的转化形式,尤其要注意原料中的“杂质”在流程中是如何转化直到被除去,分析每一步骤的目的以及所发生的化学反应,由此书写正确的化学方程式。(2)依据“题给信息和题中设问”来带动流程中各步骤的细致审题。[审题过程]以2018年全国Ⅱ卷为例说明。一种以闪锌矿(ZnS,含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图所示。
2.原料的处理[操作与目的]
[高分答题]
温度升高
加快
时间及温度
3.物质的转化与分离[操作与目的]
价态
氢氧化物
氢氧化物
蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
蒸发浓缩结晶、趁热过滤
蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
[答题模板]
如何除去Mn2+溶液中含有的Fe2+?已知Fe(OH)3、Fe(OH)2、Mn(OH)2开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表:
先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调溶液的pH至⑩ 。
3.7~8.3
继续向萃取分液后的有机相中加稀硫酸,调pH至0.5以下(或1以下),然后分液
B
玻璃塞的凹槽
小孔
如何在Na2SO4溶液中得到Na2SO4晶体?为什么Na2SO4晶体用乙醇洗涤,而不用水洗涤?[下图是Na2SO4和Na2SO4·10H2O的溶解度曲线(g/100 g水)]
(1)由图可知:Na2SO4·10H2O的溶解度随温度升高而 ,Na2SO4的溶解度随温度升高而 。而欲得到Na2SO4晶体,应采取: ; (2)Na2SO4在乙醇中难溶解,所以用乙醇洗涤Na2SO4晶体,而不用水,目的是————。
增大
降低
蒸发结晶,趁热过滤
既能防止Na2SO4和水作用生成结晶水合物Na2SO4·10H2O,又能防止Na2SO4因溶于水而损耗
MgSO4、CaSO4的溶解度如下表。根据此表数据,将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去,操作步骤为 、 。
蒸发结晶
趁热过滤
[提示]温度越高,硫酸镁的溶解度越大、硫酸钙的溶解度越小,因此可以采用蒸发结晶、趁热过滤的方法除去硫酸钙
能力2 化学方程式(或离子方程式)的书写1.非氧化还原反应方程式的书写
举例化学方程式(或离子方程式)的书写已知:2CrO42-+2H+ Cr2 O72-+H2O,pH小于5时几乎均以Cr2 O72-形式存在,pH大于8.5时几乎均以CrO42-形式存在。在Na2CrO4中通入过量的二氧化碳气体,写出发生反应的化学方程式:① 。金属离子M2+与HC反应生成碳酸盐MCO3沉淀、CO2气体和水。Fe2++2HCO32-② 。二价离子M2+主要有Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+等
2Na2CrO4+2CO2+H2O Na2Cr2O7+2NaHCO3
FeCO3↓+CO2↑+H2O
金属离子M3+与HC反应生成M(OH)3沉淀和CO2气体。三价离子M3+主要有Al3+、Fe3+等Al3++3HCO3- ③ 。Fe3++3HCO3- ④ 。
Al(OH)3↓+3CO2↑
Fe(OH)3↓+3CO2↑
金属离子M2+与HC反应生成碱式碳酸盐M2(OH)2CO3沉淀或带结晶水的碱式碳酸盐沉淀。二价离子M2+主要有Cu2+、Zn2+等。如Zn2+与HC反应生成ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O和CO2气体: 3Zn2++6HC O3- ⑤ 。
ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O↓+5CO2↑
[跟踪演练1]1.在硫酸铝溶液中加入碳酸钠,写出反应的离子方程式:___________________________。2.将PbCrO4加入足量硝酸中,生成Cr2O72-,反应的离子方程式为————————
3.含氧化锌的烟灰用NH3·H2O和NH4Cl溶液溶浸生成Zn(NH3）42+，写出反应的离子方程式:————————————————————
4.白钨矿(主要成分为CaWO4,还含有二氧化硅、氧化铁等杂质)在1000 °C下与纯碱反应生成Na2WO4的化学方程式为——————————————
5.电镀厂产生的镀铜废水中往往含有一定量的Cr2O72-(已知含+6 价铬的污水会污染环境),处理污水的流程如下:
Cr(OH)3的化学性质与 Al(OH)3相似。在生产过程中加入NaOH 溶液时要控制溶液的pH,pH不能过高,是因为 (用离子方程式表示)。
Cr(OH)3+OH- CrO2-+2H2O
2.陌生情境的氧化还原反应方程式的书写(1)根据流程图的目的,分析元素化合价变化的方向;(2)根据流程图的转化信息和反应规律预测产物;(3)根据得失电子、溶液的酸碱性,配平化学(或离子)方程式。
[跟踪演练2]1.某工艺流程中,在酸性条件下,用过氧化氢来氧化Fe2+, 所发生反应的离子方程式为————————————————。
产生氮的氧化物,污染空气
2.在NaClO3溶液中加入稀盐酸,写出(生成ClO2、Cl2等)发生反应的化学方程式: ———————————————————— 。
3.写出FeS和MnO2在酸性溶液中反应(有Fe3+、S生成)的离子方程式:————————————————————————————————
4.写出下图中“酸浸”时发生氧化还原反应的化学方程式: 。
5.溶液中的Mn2+可被酸性(NH4)2S2O8溶液氧化为Mn,该方法可用于检验Mn2+ 。(1)用酸性(NH4)2S2O8溶液检验Mn2+时的实验现象为 。
溶液由无色变为紫红色
(2)该反应的离子方程式为—————————————————————
6.工业上可以用FePO4、Li2CO3和H2C2O4作原料,在高温焙烧下制备 LiFePO4,该反应的化学方程式为————————————————————。
能力3 物质转化与跟踪1.循环物质的确定
2.副产品的判断
3.滤渣、滤液成分的确定要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂反应的情况:(1)反应过程中哪些物质(离子)消失了?(2)所加试剂是否过量或离子间发生化学反应,又产生了哪些新离子?要考虑这些离子间是否会发生反应。
能力4 图像分析能力[典型图像]1.浸出过程中时间和液固比对锰的浸出率的影响分别如图甲、图乙所示。
则适宜的浸出时间和液固比分别为 、 。
60 min
3
2.“酸浸”实验中,镁的浸出率结果如图1所示。由图可知,当镁的浸出率为80%时,所采用的实验条件为 。
100 ℃、3 h
5.溶液温度和浸出时间对钴的浸出率影响如图4所示,则浸出过程的最佳条件是 ———————————— 。 6.“萃取分离”溶液中钴、锂的萃取率与平衡时溶液pH的关系如图5所示,pH一般选择5左右,理由是 。
75 ℃、30 min
pH在5左右时钴、锂的分离效率最高
7.已知钼酸钠的溶解度曲线如图6,由钼酸钠溶液获得Na2MoO4·10H2O的操作为 、 、过滤。
蒸发浓缩
冷却至10 ℃以下结晶
1.(2020年全国Ⅰ卷,26改编)钒具有广泛用途。黏土钒矿中,钒以+3、+4、+5价的化合物存在,还包括钾、镁的铝硅酸盐,以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备V2O5。
1.该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
回答下列问题:(1)“酸浸氧化”的目的是把VO+和VO2+氧化成VO2+,写出VO+转化为VO2+,反应的离子方程式: 。 (2)“中和沉淀”中,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、 ,以及部分的 。
Mn2+
Fe3+、Al3+
(3)“沉淀转溶”中,V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是 (4)“调pH”中有沉淀生产,生成沉淀反应的化学方程式是 (5)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时,需要加入过量NH4Cl,其原因是 (6)测定产品中V2O5的纯度:称取a g产品,先用硫酸溶解,得到(VO2)2SO4溶液,再加入b1 mL c1 mol·L-1(NH4)2Fe(SO4)2溶液(VO2+,+2H++Fe2+ VO2++Fe3++H2O),最后用c2 mol·L-1 KMnO4溶液滴定过量的(NH4)2Fe(SO4)2至终点,消耗KMnO4溶液的体积为b2 mL。已知Mn被还原为Mn2+,假设杂质不参与反应。则产品中V2O5的质量分数是__________ 。(V2O5的摩尔质量:182 g·mol-1)
Fe(OH)3
利用同离子效应,促进NH4VO3尽可能析出完全
(1)VO+转化为VO2+时,钒元素的化合价由+3升至+5,1 mol VO+失去2 mol电子,MnO2被还原为Mn2+,Mn元素的化合价由+4降至+2,1 mol MnO2得到2 mol 电子,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒,VO+转化为VO2+反应的离子方程式为VO++MnO2+2H+ VO2++Mn2++H2O。(2)“中和沉淀”中,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、Mn2+,以及部分的Fe3+、Al3+。(4)“调pH”中有沉淀生成,是NaAlO2与HCl反应生成Al(OH)3沉淀,生成沉淀反应的化学方程式是NaAlO2+HCl+H2O NaCl+Al(OH)3↓或Na[Al(OH)4]+HCl NaCl+Al(OH)3↓+H2O。
【解析】
2.(2020年全国Ⅲ卷,27改编)某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物,还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O):
25 ℃时,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
回答下列问题:(1)为了提高金属镍废料浸出的速率,在“碱浸”时可采取的措施有①适当升高温度;②搅拌;③ 等。 (2)“滤液②”中含有的金属离子是 。 (3)“转化”中可替代H2O2的物质是 。若工艺流程改为先“调pH”后“转化”,即
增大氢氧化钠溶液的浓度(或将镍废料研成粉末等)
Ni2+、Fe2+、Fe3+
O2或空气
则“滤液③”中可能含有的杂质离子为 。 (4)利用上述表格数据,计算Ni(OH)2的Ksp= (列出计算式)。如果“转化”后的溶液中Ni2+浓度为1.0 mol·L-1,则“调pH”应控制的pH范围是 _。 (5)硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化,可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH。写出该反应的离子方程式:________________________________。 (6)“浓缩结晶”可得到硫酸镍晶体。结晶时,当———————————— 时,即可停止加热。
Fe3+
0.01×(107.2-14)2或10-5×(108.7-14)2
3.2~6.2
溶液表面出现晶膜(或溶液中出现晶体)
由工艺流程分析可得,向废镍催化剂中加入NaOH溶液进行碱浸,可除去油脂,并发生反应2Al+2NaOH+2H2O 2NaAlO2+3H2↑、2Al2O3+4NaOH 4NaAlO2+2H2O,将Al及其氧化物溶解,得到的滤液①含有NaAlO2,滤饼①为Ni、Fe及其氧化物和少量其他不溶性杂质,加稀H2SO4酸浸后得到含有Ni2+、Fe2+、Fe3+的滤液②,Fe2+经H2O2氧化为Fe3+后,加入NaOH调节pH使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去,再控制pH浓缩结晶得到硫酸镍晶体。(2)加入稀硫酸酸浸,Ni、Fe及其氧化物溶解,所以“滤液②”中含有的金属离子是Ni2+、Fe2+、Fe3+。(3)在“转化”中H2O2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+,可用O2或空气替代;若将工艺流程改为先“调pH”后“转化”,会使调pH过滤后的溶液中含有Fe2+,则滤液③中可能含有转化生成的Fe3+。
【解析】
(5)由题干信息,硫酸镍在强碱中被NaClO氧化得到NiOOH沉淀,即反应中Ni2+被氧化为NiOOH沉淀,ClO-被还原为Cl-,则根据氧化还原反应中得失电子守恒可得离子方程式为2Ni2++ClO-+4OH- 2NiOOH↓+Cl-+H2O。(6)硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)受热易分解失去结晶水,则在溶液中出现晶膜(或溶液中出现晶体)时停止加热。
3. (2019年全国Ⅰ卷,26改编)用硼镁矿(Mg2B2O5·H2O,含Fe2O3杂质)制取硼酸(H3BO3)晶体的流程如下。
回答下列问题:(1)沉淀的主要成分为 (填化学式)。 (2)写出生成Na2B4O5(OH)4·8H2O的化学方程式:————————————________________。 (3)检验H3BO3晶体洗涤干净的操作是——————————————————— 。
Mg(OH)2、Fe2O3
4NaB(OH)4+2CO2+3H2O Na2B4O5(OH)4·8H2O↓+2NaHCO3
取少许最后一次洗涤液于试管中,滴加硝酸酸化的硝酸银溶液,若无明显现象,说明洗涤干净
(4)已知:
实验室中利用此原理测定硼酸样品中硼酸的质量分数。准确称取0.3000 g样品于锥形瓶中,加入过量甘油,加热使其充分溶解并冷却,滴入1~2滴酚酞试液,然后用0.2000 mol·L-1NaOH标准溶液滴定至终点,消耗NaOH溶液22.00 mL。①滴定终点的标志为 。 ②该硼酸样品的纯度为 %(保留1位小数)。 (5)电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3的工作原理如图。
溶液由无色变为浅红色,且半分钟内不褪色
90.9
①b膜为 (填“阴离子”或“阳离子”)交换膜。理论上每生成1 mol H3BO3,两极室共生成 L气体(标准状况)。 ②N室中,进口和出口NaOH溶液的浓度:x% (填“>”或“<”)y%。
阴离子
16.8
<
(1)硼镁矿与氢氧化钠溶液反应,镁离子转化为氢氧化镁沉淀,Fe2O3不与氢氧化钠溶液反应,因此沉淀的主要成分为Mg(OH)2、Fe2O3。 (2)反应物为NaB(OH)4和过量CO2,生成物为Na2B4O5(OH)4·8H2O和NaHCO3,化学方程式为4NaB(OH)4+2CO2+3H2O Na2B4O5(OH)4·8H2O↓+2NaHCO3。(4)①滴定终点的标志为溶液由无色变为浅红色,且半分钟内不褪色;
【解析】
4.(2019年全国Ⅲ卷,26改编)MnCO3可用作电器元件材料,也可作为瓷釉、颜料的制作原料。工业上用酸性含锰废水(主要含Mn2+、Cl-、H+、Fe2+、Cu2+)制备MnCO3的流程如图所示:
几种金属离子沉淀的pH如表:
回答下列问题:(1)①中加入过量MnO2的作用是 ,滤渣W的成分是 。 (2)过程③中,调pH的目的是 。
将Fe2+氧化为Fe3+
Fe(OH)3、MnO2
使Cu2+完全转化为Cu(OH)2
(3)过程④中有CO2生成,则生成MnCO3的离子方程式是——————————。 (4)过程④中得到纯净MnCO3的操作方法是 ,该过程中的副产品的化学式是 。 (5)MnCO3在空气中加热易转化为不同价态的锰的氧化物,其固体残留率随温度的变化如图所示。则300 ℃时,剩余固体中n(Mn)∶n(O)为 ;图中点D对应固体的成分为 (填化学式)。
过滤、洗涤、干燥
NH4Cl
1∶2
Mn3O4和MnO
(1)在过程①中,MnO2在酸性条件下可将Fe2+氧化为Fe3+;在过程②中,向溶液中加入氨水,调节溶液的pH=3.7,这时溶液中的Fe3+会形成Fe(OH)3沉淀,过量的MnO2也以固体形式存在。(2)过程③中,调pH的目的是将Cu2+转化为沉淀除去。(3)过程④中,有CO2生成,故反应为Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O(4)过程④中得到纯净MnCO3的操作方法是过滤、洗涤、干燥。根据元素守恒可知,该流程中氯离子未被除去,引入了铵根离子,则副产品为NH4Cl。(5)设MnCO3的物质的量为1 mol,即质量为115 g①A点剩余固体质量为115 g×75.65%≈87 g,减少的质量为115 g-87 g=28 g,可知MnCO3失去的物质的组成为CO,故剩余固体的成分为MnO2,n(Mn)∶n(O)=1∶2。
【解析】
5.工业上以钒炉渣(主要含V2O3,还有少量SiO2、P2O5等杂质)为原料制备氧钒碱式碳酸铵晶体[(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)9·10H2O],其生产工艺流程如下:
(1)焙烧过程中V2O3转化为可溶性NaVO3,该反应的化学方程式为 。 (2)滤渣的主要成分是 (写化学式)。 (3)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3),若滤液中c(VO3-)=0.1 mol·L-1,为使钒元素的沉降率达到98%,至少应调节c(NH4+)为 mol·L-1。[已知Ksp(NH4VO3)=1.6×10-3] (4)“还原”V2O5的过程中,生成VOCl2和一种无色无污染的气体,该反应的化学方程式为 。用浓盐酸与V2O5反应也可以制得VOCl2,该方法的缺点是 。
Mg3(PO4)2、MgSiO3
0.8
N2H4·2HCl+2V2O5+6HCl 4VOCl2+N2↑+6H2O
有氯气生成,污染空气
V2O3+Na2CO3+O2 2NaVO3+CO2
(5)称量a g产品于锥形瓶中,用20 mL蒸馏水与30 mL稀硫酸溶解后,加入0.02 mol·L-1KMnO4溶液至稍过量,充分反应后继续滴加1%的NaNO2溶液至稍过量,再用尿素除去过量NaNO2,最后用c mol·L-1(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液滴定至终点,消耗标准溶液的体积为b mL。(已知滴定反应为VO2++Fe2++2H+ VO2++Fe3++H2O)①KMnO4溶液的作用是 。 ②粗产品中钒的质量分数表达式为———————————— (以VO2++计)。 ③若(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液部分变质,会使测定结果 (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
将VO2+氧化为VO２＋
偏高
【解析】
6.铈(Ce)是一种重要的稀土元素。以富含CeO2的废玻璃粉末(含SiO2、 Fe2O3以及其他少量可溶于稀盐酸的杂质)为原料,采用多种方法回收铈。请回答下列问题:(1)湿法空气氧化法回收铈的部分流程如下:
已知:CeO2不溶于稀盐酸,也不溶于NaOH溶液。滤渣的成分是 ,反应②的离子方程式是 ————————————————。 (2)干法空气氧化法回收铈是Ce(OH)3被空气氧化成Ce(OH)4的过程,氧化过程中发生反应的化学方程式为 。两种干法空气氧化法制备Ce(OH)4的数据如下表:
CeO2、SiO2
2CeO2+H2O2+6H+ 2Ce3++O2↑+4H2O
4Ce(OH)3+O2+2H2O 4Ce(OH)4
在对流空气氧化炉中氧化时间大大缩短的原因是 。 (3)利用电解法也可以实现铈的回收。①在酸性条件下电解Ce2O3(如图):阳极的电极反应式为—————————— ,离子交换膜为 (填“阴”或“阳”)离子交换膜。 ②电解产物Ce(SO4)2是重要的氧化剂,将其配成标准溶液,在酸性条件下能测定工业盐中NaNO2的含量,写出发生反应的离子方程式: 。
空气对流能使氧气浓度增大,使氧化表面积增大
阳
Ce2O3-2e-+6H+ 2Ce4++3H2O
(1)流程中的“滤渣”由玻璃粉末中加稀盐酸后过滤所得,应为不溶于稀盐酸的CeO2、SiO2。“滤渣”中加入稀盐酸、H2O2后,过滤所得滤液中含Ce3+,故此时CeO2发生化学反应而溶解,CeO2被还原为Ce3+,则H2O2被氧化为O2,反应②的离子方程式为2CeO2+H2O2+6H+ 2Ce3++O2↑+4H2O。(2)与“暴露空气中”相比,“在对流空气氧化炉中”氧气能维持较高浓度,发生氧化反应的表面积增大,化学反应速率较快,氧化时间缩短。
【解析】
(3)①电解池中,阳极发生失电子的反应(氧化反应)。图中电解装置的阳极为Ce2O3,溶液为Ce(SO4)2、H2SO4的混合溶液,故阳极是Ce2O3(Ce元素为+3价)失电子生成Ce(SO4)2(Ce元素为+4价),阳极的电极反应式为Ce2O3-2e-+6H+ 2Ce4++3H2O。图中阳极产物Ce4+在阴极排出,则电解池中的离子交换膜为阳离子交换膜。②Ce(SO4)2是重要的氧化剂,则NaNO2被其氧化为NaNO3,酸性条件下它们发生反应的离子方程式为2Ce4++NO2-+H2O 2Ce3++NO3-+2H+。
类题1 以非金属元素为主角
1.(2020年5月重庆市高三调研)碲(52Te)被誉为“国防与尖端技术的维生素”;锡酸钠可用于制造陶瓷电容器的基体,陶瓷电容器在宇航、导弹、航海等方面有着重要的用途。以锡碲渣(主要含Na2SnO3和Na2TeO3)为原料,制备锡酸钠和碲的流程如图:
已知:锡酸钠(Na2SnO3)和亚碲酸钠(Na2TeO3)均易溶于碱。Na2TeO4的名称为 ,在生产过程中,要将锡碲渣粉碎,其目的是 。 (2)“碱浸”过程中,锡、碲浸出率与溶液中碱的质量浓度关系如图所示,最理想的碱的质量浓度为100 g·L-1,其理由是 。
增大锡碲渣的碱浸速率和浸出率
浓度超过100 g·L-1后,锡浸出率几乎不变,碲浸出率也提高不大
碲酸钠
(3)“氧化”时,反应的离子方程式为————————————————； “氧化”的温度控制在60~70 ℃之间,其原因是————————————。
温度低于60 ℃反应慢,温度高于70 ℃,过氧化氢受热分解
(1)在生产过程中,为增大锡碲渣的碱浸速率和浸出率,可将锡碲渣粉碎。
【解析】
2.(2020年6月陕西省咸阳市高三二模)硼酸和硫酸镁是重要的化工原料。以硼铁混精矿[主要成分为MgBO2(OH)、UO2和Fe3O4,还有少量的Fe2O3、FeO、SiO2]为原料制备硼酸和硫酸镁的工艺流程如下:
已知:①U在pH为4~5的溶液中生成UO2(OH)2沉淀;②Fe2+和Fe3+沉淀完全时的pH分别为9.7、3.7。(1) 酸浸过程中MgBO2(OH)与硫酸反应的离子方程式为————————_____________________ 。(2)酸浸过程中加入H2O2的目的是————————————————。 (写出两条);滤渣1的主要成分是 (填化学式)。 (3)试剂1最好选择 (填化学式)。
MgBO2(OH)+2H+ Mg2++H3BO3
将Fe2+氧化为Fe3+,将UO2氧化成UO22+,便于后续过程除去
SiO2
MgO或Mg(OH)2或MgCO3
MgBO2OH中B的化合价为 ,
+3
(4)操作1的名称是 。 (5)MgSO4·H2O加热脱水可以得无水MgSO4,那么MgCl2·6H2O晶体直接加热 ————————(填“能”或“不能”)得到无水MgCl2,理由是——————————。 (6)已知:H2CO3的Ka1=4.4×10-7,Ka2=4.7×10-11;H3BO3的Ka=5.8×10-10。向碳酸钠溶液中逐滴加入硼酸溶液 (填“有”或“无”)气泡产生,理由是 ——————————————————。
趁热过滤
不能
加热时促进了MgCl2的水解,最终得到氢氧化镁、氧化镁
无
硼酸的酸性比碳酸弱
(1)酸浸过程中MgBO2(OH)与硫酸反应,生成硼酸和硫酸镁,发生反应的离子方程式为MgBO2(OH)+2H+ Mg2++H3BO3。(2)酸浸过程中加入H2O2,利用H2O2的氧化性,将Fe2+氧化为Fe3+,同时将UO2氧化成U,便于后续过程除去;SiO2不溶于水和酸,则滤渣1的主要成分是SiO2。(3)添加试剂1是为了调节溶液pH,则试剂1能与酸反应,且不引入新的杂质,故最好选择MgO或Mg(OH)2或MgCO3。
【解析】
(4)结合以上分析可知,将滤液蒸发浓缩,趁热过滤,获得MgSO4·H2O晶体,所以操作1的名称是趁热过滤。(5)MgCl2能水解生成Mg(OH)2和HCl,MgCl2·6H2O晶体直接加热时,会促进Mg2+水解,且HCl会挥发,则最终得到氢氧化镁、氧化镁,而不能得到无水MgCl2。(6)由电离常数可知硼酸的酸性介于H2CO3和HCO3-之间,根据强酸制弱酸的原理,向碳酸钠溶液中逐滴加入硼酸溶液只能生成NaHCO3,无碳酸生成,即无气泡产生。
3.(2020年3月全国Ⅰ卷高三大联考)工业上常用苏打烧结法提取自然界中的稀散元素硒(Se),我国科研人员自主设计的以粗铜电解精炼所产生的含硒化亚铜(Cu2Se)和碲化亚铜(Cu2Te)的阳极泥为原料,提取硒的某种工艺流程如图所示。
回答下列问题: 电解精炼铜时,阳极溶解铜的质量 (填“>”“=”或“<”)阴极析出铜的质量。 (2)“烧结”时苏打和硒化亚铜反应主要生成Na2SeO3、Cu2O和CO2气体,该反应的化学方程式为 。“烧结”时生成了少部分Na2SeO4,写出“还原”时反应的离子方程式: 。 (3)含硒烧结物浸取时,最佳加热方式为 ,除去的物质为 (填化学式)。 (4)把硫酸工业第一步的产物SO2通入Na2SeO3溶液制备硒单质,写出该反应的离子方程式: 。
<
2Cu2Se+2Na2CO3+3O2 2Cu2O+2Na2SeO3+2CO2
水浴加热
Cu2O
CO2的电子式为 ,
【解析】
(3)“浸取”时温度为80 ℃,水浴加热温度稳定,容易控制,所以最佳加热方式为水浴加热;从(2)题的方程式可知,产物中Cu2O难溶于水,“浸取”时除去的物质为Cu2O。
4.(2020年福建省宁德市高三质量检测)随着人们对硒的性质深入认识及产品硒的纯度提高,硒的应用范围越来越广。某科学小组以硫铁矿生产硫酸过程中产生的含硒物料(主要含S、Se、Fe2O3、CuO、ZnO、SiO2等)为原料提取硒,设计的流程如下:
回答下列问题:(1)“脱硫”时,测得脱硫率随温度的变化如图。随着温度的升高,脱硫率呈上升趋势,其原因是 。最佳温度是 。
温度升高,单质硫在煤油中的溶解度增大
95 ℃
(2)“氧化酸浸”中,Se转化成H2SeO3,该反应的离子方程式为————————。 (3)采用硫脲[(NH2)2CS]联合亚硫酸钠进行“控电位还原”,将电位高的物质先还原,电位低的物质保留在溶液中,以达到硒与杂质金属的分离。下表是“氧化酸浸”液中主要粒子的电位。
①控制电位在0.740~1.511 V范围内,在氧化酸浸液中添加硫脲,可选择性还原ClO2。该过程的还原反应(半反应)式为 。 ②为使硒和杂质金属分离,用亚硫酸钠还原时的最低电位应控制在 V。 (4)粗硒的精制过程:Na2SO3浸出[Se转化成硒代硫酸钠(Na2SeSO3)] Na2S净化 H2SO4酸化等。①净化后的溶液中c(Na2S)达到0.026 mol·L-1,此时溶液中的c(Cu2+)的最大值为——— ,精硒中基本不含铜。[Ksp(CuS)=1.3×10-36] ②硒代硫酸钠酸化生成硒的化学方程式为——————————————。
ClO2+4H++5e- Cl-+2H2O
0.345
5.0×10-35 mol·L-1
Na2SeSO3+H2SO4 Na2SO4+Se↓+SO2↑+H2O
(2)“氧化酸浸”中,加入了稀硫酸、氯酸钠进行氧化,Se转化成H2SeO3,Cl被还原成ClO2,该反应的离子方程式为4Cl+4H++Se 4ClO2↑+H2O+H2SeO3。(3)①控制电位在0.740~1.511 V范围内,在氧化酸浸液中添加硫脲,可选择性还原ClO2,ClO2得电子还被原成Cl-,该过程的还原反应(半反应)式为ClO2+4H++5e- Cl-+2H2O。②为使硒和杂质金属分离,确保Cu2+、Zn2+、Fe2+不被还原,用亚硫酸钠还原时的最低电位应控制在0.345 V。
【解析】
类题2 以金属元素为主角
1.(2020年6月四川省成都市高中毕业班第三次诊断)铜矾(主要成分为 CuSO4·5H2O)是一种可用于食品添加的铜强化剂。现以某硫铁矿渣(含有 CuSO4、CuSO3、Cu2O及少量难溶于酸的Cu2S、CuS)为原料制备铜矾的工艺流程如下:
“1%硫酸酸浸”时,固液质量比为1∶3并进行4~6次浸取,其目的是 。 (2)“滤饼”中含有Cu,其中Cu在“反应1”中溶解的离子方程式为——————； (3)“反应2”中通入空气的目的是 ;结合离子方程式,说明“反应3”中加入石灰石的作用是 。
提高对固体矿渣的浸取率
Cu+2Fe3+ 2Fe2++Cu2+
将Fe2+氧化为Fe3+
Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+,加入CaCO3消耗H+,使上述平衡正向移动,有利于生成Fe(OH)3沉淀
CuSO3的化学名称为 ,
亚硫酸铜
(4)为了提高硫铁矿渣的利用率和产品的产率,在“浓缩”前进行的必要操作是 ;分析下列溶解度信息,最适宜的结晶方式为 。
将滤液并入
降温结晶
(1)“1%硫酸酸浸”时,由于硫酸浓度较小,为了提高固体矿渣的浸取率,可增加硫酸的体积和浸取的次数,故采用固液质量比为1∶3并进行4~6次浸取的工艺。(2)滤饼中的Cu可以与热Fe2(SO4)3溶液发生氧化还原反应,Fe3+被还原为Fe2+,Cu被氧化为Cu2+,根据得失电子守恒、电荷守恒,该反应的离子方程式为Cu+2Fe3+ 2Fe2++Cu2+。
【解析】
(3)在化工生产中,通常先把Fe2+氧化为Fe3+,然后再调节溶液的pH,将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去,所以“反应2”中通入空气的目的是将Fe2+氧化为Fe3+,由于Fe3+发生水解反应Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+,“反应3”中加入CaCO3消耗H+,使上述反应正向移动,有利于Fe(OH)3沉淀生成。(4)由分析可知酸浸后过滤得到的滤液中含有一定量的CuSO4,为了提高硫铁矿渣的利用率和产品的产率,在“浓缩”前将此滤液并入;由表中数据可知,铜矾的溶解度随温度的升高而增大,因此可对滤液进行蒸发浓缩、降温结晶,从而得到铜矾晶体。
2.(2020年5月江苏省盐城市高三三模)用磷铁渣(含Fe、FeP、Fe2P及少量杂质)制备FePO4·2H2O(磷酸铁)的工艺流程如下:
(1)“浸取”时,在密闭反应器中加入硝酸、硫酸及活性炭,硝酸首先分解生成NO2和O2,O2将铁和磷分别氧化为Fe2O3、P2O5。①Fe2P与O2反应的化学方程式为 。 ②加入硫酸的目的是 ;加入活性炭能降低有害气体的产生,这是因为 。 ③c(HNO3)与磷铁渣溶解率的关系如图1所示,当c(HNO3)在1.5~2.0 mol·L-1时,磷铁渣溶解率随硝酸的浓度增大而减小的原因是________________________________。
4Fe2P+11O2 4Fe2O3+2P2O5
溶解Fe2O3等并保持体系的酸度
活性炭具有吸附性,可以吸附NO2等
硝酸的分解速率大于硝酸分解产物中氧气与磷铁渣反应的反应速率(硝酸分解过快导致损失)
(2)“制备”时,溶液的pH对磷酸铁产品中铁和磷的含量及n(Fe)/n(P)比值的影响如图2所示[考虑到微量金属杂质,在pH=1时,n(Fe)/n(P)为0.973,最接近理论值]。在pH范围为1~1.5时,随pH增大,n(Fe)/n(P)明显增大,其原因是————————； 写出生成FePO4·2H2O的离子方程式:————————————————。
pH增大,促进了Fe3+水解,生成的Fe(OH)3混入产品中
Fe3++H3PO4+nNH3·H2O+(2-n)H2O FePO4·2H2O↓+nN+(3-n)H+(n=1、2、3均给分)
(1)①根据题干信息,O2将Fe和P分别氧化为Fe2O3和P2O5,利用得失电子守恒和质量守恒,配平后的化学方程式为4Fe2P+11O2 4Fe2O3+2P2O5。②根据题干信息,首先硝酸分解得到NO2和O2,氧气将Fe2P氧化得到Fe2O3,但是经过浸取后,得到含有Fe3+、H3PO4的溶液,加入硫酸,可以溶解Fe2O3,也可以维持酸性环境,防止Fe3+水解,因此加入硫酸的目的是溶解Fe2O3等并保持体系的酸度;硝酸分解得到有害气体NO2,而活性炭的体表面积较大,可以吸附NO2等有害气体。③硝酸的浓度越大,其分解速率越快,导致浸取率降低。
【解析】
3.(2020年6月湖北省高三联考)钴钼系催化剂主要用于石油炼制等工艺,从废钴钼催化剂(主要含有MoS2、CoS和Al2O3)中回收钴和钼的工艺流程如图:
已知:浸取液中含金属元素的离子主要为MoO22+、Co2+、Al3+。(1)钼酸铵[(NH4)2MoO4]中Mo的化合价为 ,MoS2在空气中高温焙烧产生两种氧化物:SO2和 (填化学式)。 (2)酸浸时,生成MoO22+的离子方程式为 。 (3)若选择两种不同萃取剂按一定比例(协萃比)协同萃取Mo和Co2+,萃取情况如图所示,当协萃比= 更有利于Mo的萃取。
+6
MoO3
4∶1
(4)向有机相1中滴加氨水,发生反应的离子方程式为__________________________________。 (5)Co2+萃取的反应原理为Co2++2HR CoR2+2H+,向有机相2中加入H2SO4能进行反萃取的原因是 (结合平衡移动原理解释)。 (6)水相2中的主要溶质除了H2SO4外,还有 (填化学式)。 (7)Co3O4可用作电极,若选用KOH电解质溶液,通电时可转化为CoOOH,则阳极的电极反应式为 。
根据Co2++2HR CoR2+2H+可知,加入H2SO4,c(H+)增大,平衡向左移动
Al2(SO4)3
Co3O4+OH-+H2O-e- 3CoOOH
【解析】
(6)水相1中含有Co2+、Al3+、SO42-,经萃取分液后,水相2中含有H2SO4和Al2(SO4)3。(7)Co3O4可以表示成CoO·Co2O3,在碱性条件下可发生氧化反应,实质为CoO生成CoOOH,电极反应式为Co3O4+OH-+H2O-e- 3CoOOH。
4.(2020年湖北示范高中理科综合能力测试)钴(Co)及其化合物在工业上广泛应用于磁性材料、电池材料及超硬材料等领域。某学习小组欲从某工业废料中回收钴,设计的工艺流程如下(废料中含有Al、Co2O3和Fe2O3等物质):
请回答:(1)废料用NaOH溶液处理前通常先将废料粉碎,其目的是 。 (2)用稀H2SO4和H2O2溶液与Co2O3反应而达到浸出钴的目的,写出该反应的离子方程式: 。在实验室模拟工业生产时,也可用盐酸浸出钴,但实际工业生产中不用盐酸,请分析不用盐酸浸出钴的主要原因: 。 (3)碳酸钠溶液在过程Ⅱ和Ⅲ中所起作用有所不同,请写出碳酸钠在过程Ⅱ中发生反应生成沉淀的离子方程式: 。
增大反应物接触面积,加快反应速率
Co2O3可氧化盐酸产生Cl2,污染环境
NaOH的电子式为 。
(4)若在实验室中完成过程Ⅳ,则沉淀物需在 (填仪器名称)中灼烧;写出过程Ⅴ中发生反应的化学方程式: 。 (5)
坩埚
3CoO+2Al 3Co+Al2O3
Co(OH)3与盐酸在常温下能生成Cl2,写出该反应的离子方程式: 。
第一步中,Al和NaOH溶液反应,其离子方程式为2Al+2OH-+2H2O 2AlO2-+3H2↑,得到滤液和滤渣,因此采用的操作步骤是过滤,滤液中Al与CO2反应得到氢氧化铝沉淀,之后灼烧并通过电解熔融氧化铝得到单质铝。钴渣中Co2O3作氧化剂与过氧化氢反应,Co的化合价由+3→+2,之后调节pH得到Fe(OH)3,滤液中Co2+不能转化成沉淀,根据pH的范围为3.2≤pH<7.15,调节pH得到碳酸钴沉淀之后进行煅烧得到氧化钴,氧化钴与金属单质铝发生铝热反应得到金属单质Co。
【解析】
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2021
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第二篇——非选择题
化学工艺流程
PART 02
类型8
考向1 以非金属元素为主角化学工艺流程试题是全国卷的必考题型。化学工艺流程题就是把化工生产过程中的重要生产工序和主要流程用框图形式表示出来,并围绕生产流程中涉及的有关化学知识和原理设置问题,形成与化工生产紧密联系的化学工艺试题。题中涉及的非金属元素从常见的氯、硅、硫、氮等元素,延伸到硼、砷等元素。解题时抓住一个关键点:一切反应或操作都是为获得产品而服务的。首先要明确原料和产品(包括副产品),即箭头进出方向,其次依据流程图分析反应原理,紧扣信息,搞清流程中每一步发生了什么反应——知其然,弄清有关反应原理,明确目的(如沉淀反应、除杂、分离)——知其所以然,最后联系储存的知识,有效地利用信息,结合成本(原料是否廉价易得)、环保(是否符合绿色化学的要求)、现实等角度思考,准确表述和工整书写。
例1(2019年全国Ⅰ卷,26)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:
回答下列问题:(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为 。 (2)“滤渣1”的主要成分有 。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+离子,可选用的化学试剂是 。 (3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3+H2O H++B(OH,Ka=5.81×10-10,可判断H3BO3是 ————酸;在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是 。 (4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为———————— ,母液经加热后可返回 工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是 。
NH4HCO3+NH3 (NH4)2CO3
SiO2、Fe2O3、Al2O3
KSCN
一元弱
转化为H3BO3,促进析出
溶浸
高温焙烧
1.(2020年安徽省皖江联盟高三联考)碲(52Te)被誉为“国防与尖端技术的维生素”。工业上常用铜阳极泥(主要成分是Cu2Te,含Ag、Au等杂质)为原料提取碲并回收金属,其工艺流程如图:
已知:TeO2微溶于水,易与较浓的强酸、强碱反应。回答下列问题:(1)已知Te为第ⅥA族元素,TeO2被浓NaOH溶液溶解,所生成盐的化学式为 。 (2)“酸浸1”过程中,为加快浸出速率,可采取的方法有—————————— (填1种)。“酸浸2”时温度过高会使Te的浸出率降低,原因是___________________ __________ ________ 。 (3)“酸浸1”过程中,控制溶液的酸度使Cu2Te转化为TeO2,反应的化学方程式为 ;“还原”过程中,发生反应的离子方程式为 。
Na2TeO3
升高温度、增大压强、加快搅拌速度
温度过高会使浓盐酸挥发而降低盐酸的浓度,使Te的浸出率降低
(4)工业上也可用电解法从铜阳极泥中提取碲,方法是将铜阳极泥在空气中焙烧使碲转化为TeO2,再用NaOH溶液碱浸,以石墨为电极电解所得溶液获得Te。电解过程中阴极上的电极反应式为 。在阳极区溶液中检验出有TeO42-存在,生成TeO42-的原因是 。 (5)常温下,向1 mol·L-1 Na2TeO3溶液中滴加盐酸,当溶液pH=5时,c(TeO32-)∶c(H2TeO3)= 。(已知:H2TeO3的Ka1=1.0×10-3,Ka2=2.0×10-8)
1∶5
2.(2020年山东省德州市高三模拟)目前中药在世界医学界越来越受到关注。中药药剂砒霜(主要成分为As2O3)可用于治疗急性白血病。工业上利用酸性高浓度含砷废水[砷主要以亚砷酸(H3AsO3)形式存在]提取As2O3的工艺流程如下:
已知:As2S3与过量的S2-存在反应As2S3(s)+3S2-(aq) 2AsS33-(aq)。回答下列问题:(1)H3AsO3是一种两性偏酸性的化合物,该化合物中As元素的化合价为 。 (2)“沉砷”中FeSO4的作用是_____________________________________. (3)“焙烧”过程产生的气体A的化学式为 ,检验该气体常用的试剂为 。 (4)调节pH=0时,发现酸性越强,As2O3的产率越高。可能的原因是_________________________. ________________________________________________________________________________获得As2O3固体的系列操作是 、 、 。 (5)残留废渣中的少量砒霜(As2O3)可以用双氧水氧化成H3AsO4而除去,该反应的化学方程式为 。
+3
SO2
品红溶液
过滤
洗涤
干燥
解析：酸性高浓度含砷废水中加入硫化钠、硫酸亚铁,发生反应产生As2S3和FeS,其中硫酸亚铁可除去过量的S2-,过滤得到的滤渣中含有As2S3和FeS,焙烧滤渣,可生成As2O3、Fe2O3,向其中加入NaOH溶液生成Na3AsO3,Na3AsO3被氧化成Na3AsO4,生成的气体A为SO2,SO2与Na3AsO4在酸性条件下发生氧化还原反应生成As2O3。(3)滤渣中含有As2S3和FeS,焙烧滤渣,As、Fe转化为As2O3、Fe2O3,S元素转化为SO2气体,所以“焙烧”过程产生的气体A的化学式为SO2;SO2气体具有漂白性,可使品红溶液褪色,所以检验该气体常用的试剂为品红溶液。(4)调节pH=0时,由Na3AsO4与净化的SO2气体反应制备As2O3的离子方程式为2AsO43-+2SO2+2H+ As2O3+2SO42-+H2O,溶液酸性越强,溶液中c(H+)越大,化学平衡正向移动,有利于提高As2O3的产率,且溶液酸性越强,微粒的还原性、氧化性也会越强,使反应更容易进行。
3.(2020年6月河南省三模)熔盐级硝酸钠大量应用于太阳能储热介质,一种以工业纯碱(纯度为98%,杂质为NaCl)和生产硝酸产生的NO废气(含NO、NO2)为原料分离亚硝酸钠并制取熔盐级硝酸钠的工艺流程如图所示。回答下列问题:
(1)纯碱“吸收”NO、NO2,发生主要反应的化学方程式为 。“中和液”所含溶质除NaCl及少量Na2CO3外,还有 (填化学式)。 (2)向母液A中加入稀硝酸,生成物中有NO,写出“转化”时加入稀硝酸反应的离子方程式: 。 (3)“洗涤”时可以使用母液 (填“A”或“B”),晶体“纯化”的方法为 (填操作名称)。 (4)“步骤3”需要高温分离NaCl固体,原因是 ,母液D可返回步骤____ (填“2”或“3”)循环使用。 (5)若得到NaNO2、NaNO3两种产品的物质的量之比为2∶1,假定Na2CO3恰好完全反应,则生产1.38 t NaNO2时,工业纯碱的理论用量为 t(保留3位有效数字)。
NaNO2、NaNO3
B
重结晶
防止NaNO3的析出
3
1.62
解析：根据工艺流程图,用纯碱溶液吸收氮氧化合物,反应生成CO2和NaNO2,中和后得到的中和液经步骤1得到NaNO2晶体和含有NaNO2的母液A,加入稀硝酸并通入空气进行转化得到NO和NaNO3,再加入适量的纯碱中和稀硝酸,经步骤2得到含有NaNO3的母液B和NaNO3晶体,母液B经高温分离出NaCl和热母液C,再经步骤4得到含NaNO3的冷母液D和NaNO3晶体,最终经洗涤、纯化得到熔盐级硝酸钠。(1)根据上述分析,用纯碱溶液吸收氮氧化合物,发生反应生成CO2和NaNO2,反应的化学方程式为Na2CO3+NO+NO2 2NaNO2+CO2;“中和液”所含溶质除NaCl及少量Na2CO3外,还含有生成的NaNO2及NaNO3。(2)“转化”过程中,含有NaNO2的母液A与加入的稀硝酸反应生成NO和NaNO3,反应的离子方程式为3NO22-+2H+ NO33-+2NO↑+H2O。
考向2 以金属元素为主角化学工艺流程是将化工生产过程中主要生产阶段以流程框图形式呈现出来,涉及的知识包含元素及其化合物的性质,物质的制备、分离、提纯等化学问题。无机化工流程题拓展了高考考查空间,将紧密联系一些考查角度:(1)考查元素:从常见元素逐步扩展到一些热点元素,如Pb、Ga、Ge、V、Cr、Mo、W等。(2)化学原理:涉及的化学原理主要有氧化还原反应、离子反应、难溶物转化、化学反应速率的影响因素等。(3)实验操作:主要涉及混合物的分离,如过滤、结晶、分液、萃取等重要物理操作;产品中杂质离子的检验、验证沉淀是否洗涤干净等。(4)计算角度:联系原料纯度(质量分数)、转化率、损失率、产率等计算产品质量,尤其是用三种滴定操作(沉淀滴定、酸碱中和滴定、氧化还原反应滴定)来测定样品中某元素的含量或产品纯度。
例2(2020年山东新高考卷,16)用软锰矿(主要成分为MnO2,含少量Fe3O4、Al2O3)和BaS制备高纯MnCO3的工艺流程如下:
已知:MnO2是一种两性氧化物;25 ℃时相关物质的Ksp见下表。
回答下列问题:(1)软锰矿预先粉碎的目的是 ,MnO2与BaS溶液反应转化为MnO的化学方程式为 。 (2)保持BaS投料量不变,随MnO2与BaS投料比增大,S的量达到最大值后无明显变化,而Ba(OH)2的量达到最大值后会减小,减小的原因是 。
增大接触面积,充分反应,提高反应速率
过量的MnO2消耗了产生的Ba(OH)2
(3)滤液Ⅰ可循环使用,应当将其导入 操作中(填操作单元的名称)。 (4)净化时需先加入的试剂X为 (填化学式),再使用氨水调溶液的pH,则pH的理论最小值为 (当溶液中某离子浓度c≤1.0×10-5 mol·L-1时,可认为该离子沉淀完全)。 (5)碳化过程中发生反应的离子方程式为——————————————
蒸发
H2O2
4.9
解析：本题主要考查制备MnCO3的工艺流程,考查学生对元素化合物的理解能力和综合运用能力。(1)软锰矿预先粉碎可以增大反应物的接触面积,使反应更充分,提高反应速率;酸解后再过滤得到硫黄,根据后续流程可知产物还有Ba(OH)2,结合元素守恒可得化学方程式为MnO2+BaS+H2O Ba(OH)2+MnO+S。(2)MnO2为两性氧化物,当MnO2过量时,其会与产生的Ba(OH)2发生反应。(3)滤液Ⅰ为结晶后剩余的Ba(OH)2饱和溶液,所以应导入蒸发操作中循环使用。
1.(2020年5月江西省南昌二中高三模拟)一种以辉铜矿(主要成分为Cu2S,含少量SiO2)为原料制备硝酸铜晶体的工艺流程如图所示:
(1)写出“浸取”过程中Cu2S溶解时发生反应的离子方程式: 。(2)恒温“浸取”的过程中发现铜元素的浸取速率先增大后减小,有研究指出CuCl2是该反应的催化剂,该过程的反应原理可用化学方程式表示为①Cu2S+2CuCl2 4CuCl+S;② 。 (3)向滤液M中加入(或通入) (填字母),所得物质可循环利用。 A.铁 B.氯气 C.高锰酸钾 D.氯化氢
B
CuCl+FeCl3 CuCl2+FeCl2
(4)“保温除铁”过程中,加入CuO的目的是————————————————； 向浓缩池中加入适量HNO3的作用是 。操作1是 。 (5)某探究性小组的研究成果如图所示,可以用废铜屑和黄铜矿来富集Cu2S。通入的硫化氢的作用是 ,当转移0.2 mol电子时,生成Cu2S mol。
调节溶液的pH,使铁完全转化为Fe(OH)3沉淀
抑制Cu2+的水解
冷却(降温)结晶
催化剂
0.2
【解析】(1)浸取过程中Fe3+将Cu2S氧化成Cu2+和硫单质,本身被还原为Fe2+,根据得失电子守恒和元素守恒可得其离子方程式为Cu2S+4Fe3+ 2Cu2++4Fe2++S。(2)根据CuCl2是该反应的催化剂可知,最终产物为CuCl2,可得反应②为三氯化铁将氯化亚铜氧化为氯化铜。(3)M中的主要物质为氯化亚铁,通入氯气可生成氯化铁,实现循环使用。(4)“保温除铁”过程要除去Fe3+,故需要加入氧化铜来调节pH,使Fe3+转化为氢氧化铁沉淀;Cu2+会水解,故在蒸发浓缩、冷却结晶过程中需要加入硝酸来抑制其水解。(5)从图中可知,反应前后硫化氢的质量和性质没有发生改变,故硫化氢为催化剂;在该转化中Cu被氧化成Cu2S,化合价升高为+1,CuFeS2被还原成Cu2S,化合价降低为-1,根据得失电子守恒,当转移0.2 mol电子时,生成0.2 mol Cu2S。
2.(2020年5月河南省名师联盟高三联考)高锰酸钾是锰的重要化合物和常用的氧化剂。如图是在实验室中制备KMnO4晶体的流程:
回答下列问题:(1)在实验流程中,操作①和②均需在坩埚中进行,根据实验实际应选择 (填字母)。 A.铁坩埚 B.石英坩埚C.瓷坩埚 D.氧化铝坩埚(2)“熔融物”中KClO3应过量的原因除了提高MnO2利用率外,还有 。 (3)操作④是使K2MnO4转化为KMnO4和MnO2,该转化过程中发生反应的离子方程式为 ————————————————————。若溶液碱性过强,则MnO4-又会转化为MnO42-,同时产生无色气体,该转化过程中发生反应的离子方程式为———————————— 。
A
KClO3会分解
(4)还可采用电解K2MnO4溶液(绿色)的方法制备KMnO4(装置如图所示)。①电解过程中右侧石墨电极的电极反应式为 。 ②随着电解的进行,溶液逐渐由绿色变为紫色。但若电解时间过长,溶液颜色又会转变成绿色,可能的原因是——————————————————————————————————————————。 ③为避免产生该现象,请提出改进装置的措施: 。
在两电极之间增加阳离子交换膜,阴极室用氢氧化钾溶液,阳极室用锰酸钾溶液
【解析】
3.(2020年6月山东省威海市高三二模)Ni(OH)2可作为合成镍钴锰三元电极材料的原料,工业上可用红土镍矿(主要成分为NiO、FeO、Fe2O3、MgO和SiO2)制备,工艺流程如图所示。
回答下列问题:(1)“滤渣1”的成分为 (写化学式)。 (2)“除铁”中,加入NaClO的目的是 ,为了证明加入的NaClO已足量,可选择的试剂是 (填字母)。 A.KSCN溶液、氯水 B.K3[Fe(CN)6] 溶液 C.NaOH溶液 (3)已知“滤渣2”的成分为黄钠铁矾,其化学式为NaFe3(SO4)2(OH)6,则“除铁”中“Na2CO3/△”条件下生成滤渣2的离子方程式为 ————————————。
SiO2
将Fe2+氧化成Fe3+
B
(4)“除镁”中,若溶液pH过小,Mg2+沉淀不完全,原因是 。 (5)“沉镍”的离子方程式为 。 (6)以镍钴锰三元材料(可简写为Li1-nMO2)为一极电极材料的新型锂电池工作原理如图所示,放电时总反应为Li1-nMO2+LinC6 LiMO2+6C,则充电时b极的电极反应式为————————————————————。
F-与H+结合形成弱电解质HF,使MgF2 Mg2++2F-平衡向右移动
(1)滤渣1的成分为不溶于稀硫酸的SiO2。(2)加入NaClO可以将Fe2+氧化成Fe3+。当NaClO足量时,溶液中Fe元素以Fe3+的形式存在,不含Fe2+,所以只要证明溶液中没有Fe2+就可以说明NaClO足量。由于溶液中存在Fe3+,所以滴加KSCN溶液,溶液会显红色,再加氯水没有明显变化,无法检验Fe2+,故A项不符合题意;Fe2+可以和K3[Fe(CN)6]溶液反应生成蓝色沉淀,故B项符合题意;加NaOH溶液会产生Fe(OH)3沉淀,即便有Fe2+,产生的Fe(OH)2沉淀也会被迅速氧化,而且Fe(OH)3沉淀的颜色会覆盖掉Fe(OH)2的颜色,所以无法通过NaOH溶液判断是否有Fe2+,故C项不符合题意。
【解析】
能力1 化学工艺流程图审题
1.流程图的结构特点
(1)首尾主线分析:原料→中间转化物质→目标产物。跟踪主要物质(元素)的转化形式,尤其要注意原料中的“杂质”在流程中是如何转化直到被除去,分析每一步骤的目的以及所发生的化学反应,由此书写正确的化学方程式。(2)依据“题给信息和题中设问”来带动流程中各步骤的细致审题。[审题过程]以2018年全国Ⅱ卷为例说明。一种以闪锌矿(ZnS,含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图所示。
2.原料的处理[操作与目的]
[高分答题]
温度升高
加快
时间及温度
3.物质的转化与分离[操作与目的]
价态
氢氧化物
氢氧化物
蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
蒸发浓缩结晶、趁热过滤
蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
[答题模板]
如何除去Mn2+溶液中含有的Fe2+?已知Fe(OH)3、Fe(OH)2、Mn(OH)2开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表:
先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调溶液的pH至⑩ 。
3.7~8.3
继续向萃取分液后的有机相中加稀硫酸,调pH至0.5以下(或1以下),然后分液
B
玻璃塞的凹槽
小孔
如何在Na2SO4溶液中得到Na2SO4晶体?为什么Na2SO4晶体用乙醇洗涤,而不用水洗涤?[下图是Na2SO4和Na2SO4·10H2O的溶解度曲线(g/100 g水)]
(1)由图可知:Na2SO4·10H2O的溶解度随温度升高而 ,Na2SO4的溶解度随温度升高而 。而欲得到Na2SO4晶体,应采取: ; (2)Na2SO4在乙醇中难溶解,所以用乙醇洗涤Na2SO4晶体,而不用水,目的是————。
增大
降低
蒸发结晶,趁热过滤
既能防止Na2SO4和水作用生成结晶水合物Na2SO4·10H2O,又能防止Na2SO4因溶于水而损耗
MgSO4、CaSO4的溶解度如下表。根据此表数据,将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去,操作步骤为 、 。
蒸发结晶
趁热过滤
[提示]温度越高,硫酸镁的溶解度越大、硫酸钙的溶解度越小,因此可以采用蒸发结晶、趁热过滤的方法除去硫酸钙
能力2 化学方程式(或离子方程式)的书写1.非氧化还原反应方程式的书写
举例化学方程式(或离子方程式)的书写已知:2CrO42-+2H+ Cr2 O72-+H2O,pH小于5时几乎均以Cr2 O72-形式存在,pH大于8.5时几乎均以CrO42-形式存在。在Na2CrO4中通入过量的二氧化碳气体,写出发生反应的化学方程式:① 。金属离子M2+与HC反应生成碳酸盐MCO3沉淀、CO2气体和水。Fe2++2HCO32-② 。二价离子M2+主要有Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+等
2Na2CrO4+2CO2+H2O Na2Cr2O7+2NaHCO3
FeCO3↓+CO2↑+H2O
金属离子M3+与HC反应生成M(OH)3沉淀和CO2气体。三价离子M3+主要有Al3+、Fe3+等Al3++3HCO3- ③ 。Fe3++3HCO3- ④ 。
Al(OH)3↓+3CO2↑
Fe(OH)3↓+3CO2↑
金属离子M2+与HC反应生成碱式碳酸盐M2(OH)2CO3沉淀或带结晶水的碱式碳酸盐沉淀。二价离子M2+主要有Cu2+、Zn2+等。如Zn2+与HC反应生成ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O和CO2气体: 3Zn2++6HC O3- ⑤ 。
ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O↓+5CO2↑
[跟踪演练1]1.在硫酸铝溶液中加入碳酸钠,写出反应的离子方程式:___________________________。2.将PbCrO4加入足量硝酸中,生成Cr2O72-,反应的离子方程式为————————
3.含氧化锌的烟灰用NH3·H2O和NH4Cl溶液溶浸生成Zn(NH3）42+，写出反应的离子方程式:————————————————————
4.白钨矿(主要成分为CaWO4,还含有二氧化硅、氧化铁等杂质)在1000 °C下与纯碱反应生成Na2WO4的化学方程式为——————————————
5.电镀厂产生的镀铜废水中往往含有一定量的Cr2O72-(已知含+6 价铬的污水会污染环境),处理污水的流程如下:
Cr(OH)3的化学性质与 Al(OH)3相似。在生产过程中加入NaOH 溶液时要控制溶液的pH,pH不能过高,是因为 (用离子方程式表示)。
Cr(OH)3+OH- CrO2-+2H2O
2.陌生情境的氧化还原反应方程式的书写(1)根据流程图的目的,分析元素化合价变化的方向;(2)根据流程图的转化信息和反应规律预测产物;(3)根据得失电子、溶液的酸碱性,配平化学(或离子)方程式。
[跟踪演练2]1.某工艺流程中,在酸性条件下,用过氧化氢来氧化Fe2+, 所发生反应的离子方程式为————————————————。
产生氮的氧化物,污染空气
2.在NaClO3溶液中加入稀盐酸,写出(生成ClO2、Cl2等)发生反应的化学方程式: ———————————————————— 。
3.写出FeS和MnO2在酸性溶液中反应(有Fe3+、S生成)的离子方程式:————————————————————————————————
4.写出下图中“酸浸”时发生氧化还原反应的化学方程式: 。
5.溶液中的Mn2+可被酸性(NH4)2S2O8溶液氧化为Mn,该方法可用于检验Mn2+ 。(1)用酸性(NH4)2S2O8溶液检验Mn2+时的实验现象为 。
溶液由无色变为紫红色
(2)该反应的离子方程式为—————————————————————
6.工业上可以用FePO4、Li2CO3和H2C2O4作原料,在高温焙烧下制备 LiFePO4,该反应的化学方程式为————————————————————。
能力3 物质转化与跟踪1.循环物质的确定
2.副产品的判断
3.滤渣、滤液成分的确定要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂反应的情况:(1)反应过程中哪些物质(离子)消失了?(2)所加试剂是否过量或离子间发生化学反应,又产生了哪些新离子?要考虑这些离子间是否会发生反应。
能力4 图像分析能力[典型图像]1.浸出过程中时间和液固比对锰的浸出率的影响分别如图甲、图乙所示。
则适宜的浸出时间和液固比分别为 、 。
60 min
3
2.“酸浸”实验中,镁的浸出率结果如图1所示。由图可知,当镁的浸出率为80%时,所采用的实验条件为 。
100 ℃、3 h
5.溶液温度和浸出时间对钴的浸出率影响如图4所示,则浸出过程的最佳条件是 ———————————— 。 6.“萃取分离”溶液中钴、锂的萃取率与平衡时溶液pH的关系如图5所示,pH一般选择5左右,理由是 。
75 ℃、30 min
pH在5左右时钴、锂的分离效率最高
7.已知钼酸钠的溶解度曲线如图6,由钼酸钠溶液获得Na2MoO4·10H2O的操作为 、 、过滤。
蒸发浓缩
冷却至10 ℃以下结晶
1.(2020年全国Ⅰ卷,26改编)钒具有广泛用途。黏土钒矿中,钒以+3、+4、+5价的化合物存在,还包括钾、镁的铝硅酸盐,以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备V2O5。
1.该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
回答下列问题:(1)“酸浸氧化”的目的是把VO+和VO2+氧化成VO2+,写出VO+转化为VO2+,反应的离子方程式: 。 (2)“中和沉淀”中,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、 ,以及部分的 。
Mn2+
Fe3+、Al3+
(3)“沉淀转溶”中,V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是 (4)“调pH”中有沉淀生产,生成沉淀反应的化学方程式是 (5)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时,需要加入过量NH4Cl,其原因是 (6)测定产品中V2O5的纯度:称取a g产品,先用硫酸溶解,得到(VO2)2SO4溶液,再加入b1 mL c1 mol·L-1(NH4)2Fe(SO4)2溶液(VO2+,+2H++Fe2+ VO2++Fe3++H2O),最后用c2 mol·L-1 KMnO4溶液滴定过量的(NH4)2Fe(SO4)2至终点,消耗KMnO4溶液的体积为b2 mL。已知Mn被还原为Mn2+,假设杂质不参与反应。则产品中V2O5的质量分数是__________ 。(V2O5的摩尔质量:182 g·mol-1)
Fe(OH)3
利用同离子效应,促进NH4VO3尽可能析出完全
(1)VO+转化为VO2+时,钒元素的化合价由+3升至+5,1 mol VO+失去2 mol电子,MnO2被还原为Mn2+,Mn元素的化合价由+4降至+2,1 mol MnO2得到2 mol 电子,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒,VO+转化为VO2+反应的离子方程式为VO++MnO2+2H+ VO2++Mn2++H2O。(2)“中和沉淀”中,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、Mn2+,以及部分的Fe3+、Al3+。(4)“调pH”中有沉淀生成,是NaAlO2与HCl反应生成Al(OH)3沉淀,生成沉淀反应的化学方程式是NaAlO2+HCl+H2O NaCl+Al(OH)3↓或Na[Al(OH)4]+HCl NaCl+Al(OH)3↓+H2O。
【解析】
2.(2020年全国Ⅲ卷,27改编)某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物,还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O):
25 ℃时,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
回答下列问题:(1)为了提高金属镍废料浸出的速率,在“碱浸”时可采取的措施有①适当升高温度;②搅拌;③ 等。 (2)“滤液②”中含有的金属离子是 。 (3)“转化”中可替代H2O2的物质是 。若工艺流程改为先“调pH”后“转化”,即
增大氢氧化钠溶液的浓度(或将镍废料研成粉末等)
Ni2+、Fe2+、Fe3+
O2或空气
则“滤液③”中可能含有的杂质离子为 。 (4)利用上述表格数据,计算Ni(OH)2的Ksp= (列出计算式)。如果“转化”后的溶液中Ni2+浓度为1.0 mol·L-1,则“调pH”应控制的pH范围是 _。 (5)硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化,可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH。写出该反应的离子方程式:________________________________。 (6)“浓缩结晶”可得到硫酸镍晶体。结晶时,当———————————— 时,即可停止加热。
Fe3+
0.01×(107.2-14)2或10-5×(108.7-14)2
3.2~6.2
溶液表面出现晶膜(或溶液中出现晶体)
由工艺流程分析可得,向废镍催化剂中加入NaOH溶液进行碱浸,可除去油脂,并发生反应2Al+2NaOH+2H2O 2NaAlO2+3H2↑、2Al2O3+4NaOH 4NaAlO2+2H2O,将Al及其氧化物溶解,得到的滤液①含有NaAlO2,滤饼①为Ni、Fe及其氧化物和少量其他不溶性杂质,加稀H2SO4酸浸后得到含有Ni2+、Fe2+、Fe3+的滤液②,Fe2+经H2O2氧化为Fe3+后,加入NaOH调节pH使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去,再控制pH浓缩结晶得到硫酸镍晶体。(2)加入稀硫酸酸浸,Ni、Fe及其氧化物溶解,所以“滤液②”中含有的金属离子是Ni2+、Fe2+、Fe3+。(3)在“转化”中H2O2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+,可用O2或空气替代;若将工艺流程改为先“调pH”后“转化”,会使调pH过滤后的溶液中含有Fe2+,则滤液③中可能含有转化生成的Fe3+。
【解析】
(5)由题干信息,硫酸镍在强碱中被NaClO氧化得到NiOOH沉淀,即反应中Ni2+被氧化为NiOOH沉淀,ClO-被还原为Cl-,则根据氧化还原反应中得失电子守恒可得离子方程式为2Ni2++ClO-+4OH- 2NiOOH↓+Cl-+H2O。(6)硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)受热易分解失去结晶水,则在溶液中出现晶膜(或溶液中出现晶体)时停止加热。
3. (2019年全国Ⅰ卷,26改编)用硼镁矿(Mg2B2O5·H2O,含Fe2O3杂质)制取硼酸(H3BO3)晶体的流程如下。
回答下列问题:(1)沉淀的主要成分为 (填化学式)。 (2)写出生成Na2B4O5(OH)4·8H2O的化学方程式:————————————________________。 (3)检验H3BO3晶体洗涤干净的操作是——————————————————— 。
Mg(OH)2、Fe2O3
4NaB(OH)4+2CO2+3H2O Na2B4O5(OH)4·8H2O↓+2NaHCO3
取少许最后一次洗涤液于试管中,滴加硝酸酸化的硝酸银溶液,若无明显现象,说明洗涤干净
(4)已知:
实验室中利用此原理测定硼酸样品中硼酸的质量分数。准确称取0.3000 g样品于锥形瓶中,加入过量甘油,加热使其充分溶解并冷却,滴入1~2滴酚酞试液,然后用0.2000 mol·L-1NaOH标准溶液滴定至终点,消耗NaOH溶液22.00 mL。①滴定终点的标志为 。 ②该硼酸样品的纯度为 %(保留1位小数)。 (5)电解NaB(OH)4溶液制备H3BO3的工作原理如图。
溶液由无色变为浅红色,且半分钟内不褪色
90.9
①b膜为 (填“阴离子”或“阳离子”)交换膜。理论上每生成1 mol H3BO3,两极室共生成 L气体(标准状况)。 ②N室中,进口和出口NaOH溶液的浓度:x% (填“>”或“<”)y%。
阴离子
16.8
<
(1)硼镁矿与氢氧化钠溶液反应,镁离子转化为氢氧化镁沉淀,Fe2O3不与氢氧化钠溶液反应,因此沉淀的主要成分为Mg(OH)2、Fe2O3。 (2)反应物为NaB(OH)4和过量CO2,生成物为Na2B4O5(OH)4·8H2O和NaHCO3,化学方程式为4NaB(OH)4+2CO2+3H2O Na2B4O5(OH)4·8H2O↓+2NaHCO3。(4)①滴定终点的标志为溶液由无色变为浅红色,且半分钟内不褪色;
【解析】
4.(2019年全国Ⅲ卷,26改编)MnCO3可用作电器元件材料,也可作为瓷釉、颜料的制作原料。工业上用酸性含锰废水(主要含Mn2+、Cl-、H+、Fe2+、Cu2+)制备MnCO3的流程如图所示:
几种金属离子沉淀的pH如表:
回答下列问题:(1)①中加入过量MnO2的作用是 ,滤渣W的成分是 。 (2)过程③中,调pH的目的是 。
将Fe2+氧化为Fe3+
Fe(OH)3、MnO2
使Cu2+完全转化为Cu(OH)2
(3)过程④中有CO2生成,则生成MnCO3的离子方程式是——————————。 (4)过程④中得到纯净MnCO3的操作方法是 ,该过程中的副产品的化学式是 。 (5)MnCO3在空气中加热易转化为不同价态的锰的氧化物,其固体残留率随温度的变化如图所示。则300 ℃时,剩余固体中n(Mn)∶n(O)为 ;图中点D对应固体的成分为 (填化学式)。
过滤、洗涤、干燥
NH4Cl
1∶2
Mn3O4和MnO
(1)在过程①中,MnO2在酸性条件下可将Fe2+氧化为Fe3+;在过程②中,向溶液中加入氨水,调节溶液的pH=3.7,这时溶液中的Fe3+会形成Fe(OH)3沉淀,过量的MnO2也以固体形式存在。(2)过程③中,调pH的目的是将Cu2+转化为沉淀除去。(3)过程④中,有CO2生成,故反应为Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O(4)过程④中得到纯净MnCO3的操作方法是过滤、洗涤、干燥。根据元素守恒可知,该流程中氯离子未被除去,引入了铵根离子,则副产品为NH4Cl。(5)设MnCO3的物质的量为1 mol,即质量为115 g①A点剩余固体质量为115 g×75.65%≈87 g,减少的质量为115 g-87 g=28 g,可知MnCO3失去的物质的组成为CO,故剩余固体的成分为MnO2,n(Mn)∶n(O)=1∶2。
【解析】
5.工业上以钒炉渣(主要含V2O3,还有少量SiO2、P2O5等杂质)为原料制备氧钒碱式碳酸铵晶体[(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)9·10H2O],其生产工艺流程如下:
(1)焙烧过程中V2O3转化为可溶性NaVO3,该反应的化学方程式为 。 (2)滤渣的主要成分是 (写化学式)。 (3)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3),若滤液中c(VO3-)=0.1 mol·L-1,为使钒元素的沉降率达到98%,至少应调节c(NH4+)为 mol·L-1。[已知Ksp(NH4VO3)=1.6×10-3] (4)“还原”V2O5的过程中,生成VOCl2和一种无色无污染的气体,该反应的化学方程式为 。用浓盐酸与V2O5反应也可以制得VOCl2,该方法的缺点是 。
Mg3(PO4)2、MgSiO3
0.8
N2H4·2HCl+2V2O5+6HCl 4VOCl2+N2↑+6H2O
有氯气生成,污染空气
V2O3+Na2CO3+O2 2NaVO3+CO2
(5)称量a g产品于锥形瓶中,用20 mL蒸馏水与30 mL稀硫酸溶解后,加入0.02 mol·L-1KMnO4溶液至稍过量,充分反应后继续滴加1%的NaNO2溶液至稍过量,再用尿素除去过量NaNO2,最后用c mol·L-1(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液滴定至终点,消耗标准溶液的体积为b mL。(已知滴定反应为VO2++Fe2++2H+ VO2++Fe3++H2O)①KMnO4溶液的作用是 。 ②粗产品中钒的质量分数表达式为———————————— (以VO2++计)。 ③若(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液部分变质,会使测定结果 (填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
将VO2+氧化为VO２＋
偏高
【解析】
6.铈(Ce)是一种重要的稀土元素。以富含CeO2的废玻璃粉末(含SiO2、 Fe2O3以及其他少量可溶于稀盐酸的杂质)为原料,采用多种方法回收铈。请回答下列问题:(1)湿法空气氧化法回收铈的部分流程如下:
已知:CeO2不溶于稀盐酸,也不溶于NaOH溶液。滤渣的成分是 ,反应②的离子方程式是 ————————————————。 (2)干法空气氧化法回收铈是Ce(OH)3被空气氧化成Ce(OH)4的过程,氧化过程中发生反应的化学方程式为 。两种干法空气氧化法制备Ce(OH)4的数据如下表:
CeO2、SiO2
2CeO2+H2O2+6H+ 2Ce3++O2↑+4H2O
4Ce(OH)3+O2+2H2O 4Ce(OH)4
在对流空气氧化炉中氧化时间大大缩短的原因是 。 (3)利用电解法也可以实现铈的回收。①在酸性条件下电解Ce2O3(如图):阳极的电极反应式为—————————— ,离子交换膜为 (填“阴”或“阳”)离子交换膜。 ②电解产物Ce(SO4)2是重要的氧化剂,将其配成标准溶液,在酸性条件下能测定工业盐中NaNO2的含量,写出发生反应的离子方程式: 。
空气对流能使氧气浓度增大,使氧化表面积增大
阳
Ce2O3-2e-+6H+ 2Ce4++3H2O
(1)流程中的“滤渣”由玻璃粉末中加稀盐酸后过滤所得,应为不溶于稀盐酸的CeO2、SiO2。“滤渣”中加入稀盐酸、H2O2后,过滤所得滤液中含Ce3+,故此时CeO2发生化学反应而溶解,CeO2被还原为Ce3+,则H2O2被氧化为O2,反应②的离子方程式为2CeO2+H2O2+6H+ 2Ce3++O2↑+4H2O。(2)与“暴露空气中”相比,“在对流空气氧化炉中”氧气能维持较高浓度,发生氧化反应的表面积增大,化学反应速率较快,氧化时间缩短。
【解析】
(3)①电解池中,阳极发生失电子的反应(氧化反应)。图中电解装置的阳极为Ce2O3,溶液为Ce(SO4)2、H2SO4的混合溶液,故阳极是Ce2O3(Ce元素为+3价)失电子生成Ce(SO4)2(Ce元素为+4价),阳极的电极反应式为Ce2O3-2e-+6H+ 2Ce4++3H2O。图中阳极产物Ce4+在阴极排出,则电解池中的离子交换膜为阳离子交换膜。②Ce(SO4)2是重要的氧化剂,则NaNO2被其氧化为NaNO3,酸性条件下它们发生反应的离子方程式为2Ce4++NO2-+H2O 2Ce3++NO3-+2H+。
类题1 以非金属元素为主角
1.(2020年5月重庆市高三调研)碲(52Te)被誉为“国防与尖端技术的维生素”;锡酸钠可用于制造陶瓷电容器的基体,陶瓷电容器在宇航、导弹、航海等方面有着重要的用途。以锡碲渣(主要含Na2SnO3和Na2TeO3)为原料,制备锡酸钠和碲的流程如图:
已知:锡酸钠(Na2SnO3)和亚碲酸钠(Na2TeO3)均易溶于碱。Na2TeO4的名称为 ,在生产过程中,要将锡碲渣粉碎,其目的是 。 (2)“碱浸”过程中,锡、碲浸出率与溶液中碱的质量浓度关系如图所示,最理想的碱的质量浓度为100 g·L-1,其理由是 。
增大锡碲渣的碱浸速率和浸出率
浓度超过100 g·L-1后,锡浸出率几乎不变,碲浸出率也提高不大
碲酸钠
(3)“氧化”时,反应的离子方程式为————————————————； “氧化”的温度控制在60~70 ℃之间,其原因是————————————。
温度低于60 ℃反应慢,温度高于70 ℃,过氧化氢受热分解
(1)在生产过程中,为增大锡碲渣的碱浸速率和浸出率,可将锡碲渣粉碎。
【解析】
2.(2020年6月陕西省咸阳市高三二模)硼酸和硫酸镁是重要的化工原料。以硼铁混精矿[主要成分为MgBO2(OH)、UO2和Fe3O4,还有少量的Fe2O3、FeO、SiO2]为原料制备硼酸和硫酸镁的工艺流程如下:
已知:①U在pH为4~5的溶液中生成UO2(OH)2沉淀;②Fe2+和Fe3+沉淀完全时的pH分别为9.7、3.7。(1) 酸浸过程中MgBO2(OH)与硫酸反应的离子方程式为————————_____________________ 。(2)酸浸过程中加入H2O2的目的是————————————————。 (写出两条);滤渣1的主要成分是 (填化学式)。 (3)试剂1最好选择 (填化学式)。
MgBO2(OH)+2H+ Mg2++H3BO3
将Fe2+氧化为Fe3+,将UO2氧化成UO22+,便于后续过程除去
SiO2
MgO或Mg(OH)2或MgCO3
MgBO2OH中B的化合价为 ,
+3
(4)操作1的名称是 。 (5)MgSO4·H2O加热脱水可以得无水MgSO4,那么MgCl2·6H2O晶体直接加热 ————————(填“能”或“不能”)得到无水MgCl2,理由是——————————。 (6)已知:H2CO3的Ka1=4.4×10-7,Ka2=4.7×10-11;H3BO3的Ka=5.8×10-10。向碳酸钠溶液中逐滴加入硼酸溶液 (填“有”或“无”)气泡产生,理由是 ——————————————————。
趁热过滤
不能
加热时促进了MgCl2的水解,最终得到氢氧化镁、氧化镁
无
硼酸的酸性比碳酸弱
(1)酸浸过程中MgBO2(OH)与硫酸反应,生成硼酸和硫酸镁,发生反应的离子方程式为MgBO2(OH)+2H+ Mg2++H3BO3。(2)酸浸过程中加入H2O2,利用H2O2的氧化性,将Fe2+氧化为Fe3+,同时将UO2氧化成U,便于后续过程除去;SiO2不溶于水和酸,则滤渣1的主要成分是SiO2。(3)添加试剂1是为了调节溶液pH,则试剂1能与酸反应,且不引入新的杂质,故最好选择MgO或Mg(OH)2或MgCO3。
【解析】
(4)结合以上分析可知,将滤液蒸发浓缩,趁热过滤,获得MgSO4·H2O晶体,所以操作1的名称是趁热过滤。(5)MgCl2能水解生成Mg(OH)2和HCl,MgCl2·6H2O晶体直接加热时,会促进Mg2+水解,且HCl会挥发,则最终得到氢氧化镁、氧化镁,而不能得到无水MgCl2。(6)由电离常数可知硼酸的酸性介于H2CO3和HCO3-之间,根据强酸制弱酸的原理,向碳酸钠溶液中逐滴加入硼酸溶液只能生成NaHCO3,无碳酸生成,即无气泡产生。
3.(2020年3月全国Ⅰ卷高三大联考)工业上常用苏打烧结法提取自然界中的稀散元素硒(Se),我国科研人员自主设计的以粗铜电解精炼所产生的含硒化亚铜(Cu2Se)和碲化亚铜(Cu2Te)的阳极泥为原料,提取硒的某种工艺流程如图所示。
回答下列问题: 电解精炼铜时,阳极溶解铜的质量 (填“>”“=”或“<”)阴极析出铜的质量。 (2)“烧结”时苏打和硒化亚铜反应主要生成Na2SeO3、Cu2O和CO2气体,该反应的化学方程式为 。“烧结”时生成了少部分Na2SeO4,写出“还原”时反应的离子方程式: 。 (3)含硒烧结物浸取时,最佳加热方式为 ,除去的物质为 (填化学式)。 (4)把硫酸工业第一步的产物SO2通入Na2SeO3溶液制备硒单质,写出该反应的离子方程式: 。
<
2Cu2Se+2Na2CO3+3O2 2Cu2O+2Na2SeO3+2CO2
水浴加热
Cu2O
CO2的电子式为 ,
【解析】
(3)“浸取”时温度为80 ℃,水浴加热温度稳定,容易控制,所以最佳加热方式为水浴加热;从(2)题的方程式可知,产物中Cu2O难溶于水,“浸取”时除去的物质为Cu2O。
4.(2020年福建省宁德市高三质量检测)随着人们对硒的性质深入认识及产品硒的纯度提高,硒的应用范围越来越广。某科学小组以硫铁矿生产硫酸过程中产生的含硒物料(主要含S、Se、Fe2O3、CuO、ZnO、SiO2等)为原料提取硒,设计的流程如下:
回答下列问题:(1)“脱硫”时,测得脱硫率随温度的变化如图。随着温度的升高,脱硫率呈上升趋势,其原因是 。最佳温度是 。
温度升高,单质硫在煤油中的溶解度增大
95 ℃
(2)“氧化酸浸”中,Se转化成H2SeO3,该反应的离子方程式为————————。 (3)采用硫脲[(NH2)2CS]联合亚硫酸钠进行“控电位还原”,将电位高的物质先还原,电位低的物质保留在溶液中,以达到硒与杂质金属的分离。下表是“氧化酸浸”液中主要粒子的电位。
①控制电位在0.740~1.511 V范围内,在氧化酸浸液中添加硫脲,可选择性还原ClO2。该过程的还原反应(半反应)式为 。 ②为使硒和杂质金属分离,用亚硫酸钠还原时的最低电位应控制在 V。 (4)粗硒的精制过程:Na2SO3浸出[Se转化成硒代硫酸钠(Na2SeSO3)] Na2S净化 H2SO4酸化等。①净化后的溶液中c(Na2S)达到0.026 mol·L-1,此时溶液中的c(Cu2+)的最大值为——— ,精硒中基本不含铜。[Ksp(CuS)=1.3×10-36] ②硒代硫酸钠酸化生成硒的化学方程式为——————————————。
ClO2+4H++5e- Cl-+2H2O
0.345
5.0×10-35 mol·L-1
Na2SeSO3+H2SO4 Na2SO4+Se↓+SO2↑+H2O
(2)“氧化酸浸”中,加入了稀硫酸、氯酸钠进行氧化,Se转化成H2SeO3,Cl被还原成ClO2,该反应的离子方程式为4Cl+4H++Se 4ClO2↑+H2O+H2SeO3。(3)①控制电位在0.740~1.511 V范围内,在氧化酸浸液中添加硫脲,可选择性还原ClO2,ClO2得电子还被原成Cl-,该过程的还原反应(半反应)式为ClO2+4H++5e- Cl-+2H2O。②为使硒和杂质金属分离,确保Cu2+、Zn2+、Fe2+不被还原,用亚硫酸钠还原时的最低电位应控制在0.345 V。
【解析】
类题2 以金属元素为主角
1.(2020年6月四川省成都市高中毕业班第三次诊断)铜矾(主要成分为 CuSO4·5H2O)是一种可用于食品添加的铜强化剂。现以某硫铁矿渣(含有 CuSO4、CuSO3、Cu2O及少量难溶于酸的Cu2S、CuS)为原料制备铜矾的工艺流程如下:
“1%硫酸酸浸”时,固液质量比为1∶3并进行4~6次浸取,其目的是 。 (2)“滤饼”中含有Cu,其中Cu在“反应1”中溶解的离子方程式为——————； (3)“反应2”中通入空气的目的是 ;结合离子方程式,说明“反应3”中加入石灰石的作用是 。
提高对固体矿渣的浸取率
Cu+2Fe3+ 2Fe2++Cu2+
将Fe2+氧化为Fe3+
Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+,加入CaCO3消耗H+,使上述平衡正向移动,有利于生成Fe(OH)3沉淀
CuSO3的化学名称为 ,
亚硫酸铜
(4)为了提高硫铁矿渣的利用率和产品的产率,在“浓缩”前进行的必要操作是 ;分析下列溶解度信息,最适宜的结晶方式为 。
将滤液并入
降温结晶
(1)“1%硫酸酸浸”时,由于硫酸浓度较小,为了提高固体矿渣的浸取率,可增加硫酸的体积和浸取的次数,故采用固液质量比为1∶3并进行4~6次浸取的工艺。(2)滤饼中的Cu可以与热Fe2(SO4)3溶液发生氧化还原反应,Fe3+被还原为Fe2+,Cu被氧化为Cu2+,根据得失电子守恒、电荷守恒,该反应的离子方程式为Cu+2Fe3+ 2Fe2++Cu2+。
【解析】
(3)在化工生产中,通常先把Fe2+氧化为Fe3+,然后再调节溶液的pH,将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去,所以“反应2”中通入空气的目的是将Fe2+氧化为Fe3+,由于Fe3+发生水解反应Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+,“反应3”中加入CaCO3消耗H+,使上述反应正向移动,有利于Fe(OH)3沉淀生成。(4)由分析可知酸浸后过滤得到的滤液中含有一定量的CuSO4,为了提高硫铁矿渣的利用率和产品的产率,在“浓缩”前将此滤液并入;由表中数据可知,铜矾的溶解度随温度的升高而增大,因此可对滤液进行蒸发浓缩、降温结晶,从而得到铜矾晶体。
2.(2020年5月江苏省盐城市高三三模)用磷铁渣(含Fe、FeP、Fe2P及少量杂质)制备FePO4·2H2O(磷酸铁)的工艺流程如下:
(1)“浸取”时,在密闭反应器中加入硝酸、硫酸及活性炭,硝酸首先分解生成NO2和O2,O2将铁和磷分别氧化为Fe2O3、P2O5。①Fe2P与O2反应的化学方程式为 。 ②加入硫酸的目的是 ;加入活性炭能降低有害气体的产生,这是因为 。 ③c(HNO3)与磷铁渣溶解率的关系如图1所示,当c(HNO3)在1.5~2.0 mol·L-1时,磷铁渣溶解率随硝酸的浓度增大而减小的原因是________________________________。
4Fe2P+11O2 4Fe2O3+2P2O5
溶解Fe2O3等并保持体系的酸度
活性炭具有吸附性,可以吸附NO2等
硝酸的分解速率大于硝酸分解产物中氧气与磷铁渣反应的反应速率(硝酸分解过快导致损失)
(2)“制备”时,溶液的pH对磷酸铁产品中铁和磷的含量及n(Fe)/n(P)比值的影响如图2所示[考虑到微量金属杂质,在pH=1时,n(Fe)/n(P)为0.973,最接近理论值]。在pH范围为1~1.5时,随pH增大,n(Fe)/n(P)明显增大,其原因是————————； 写出生成FePO4·2H2O的离子方程式:————————————————。
pH增大,促进了Fe3+水解,生成的Fe(OH)3混入产品中
Fe3++H3PO4+nNH3·H2O+(2-n)H2O FePO4·2H2O↓+nN+(3-n)H+(n=1、2、3均给分)
(1)①根据题干信息,O2将Fe和P分别氧化为Fe2O3和P2O5,利用得失电子守恒和质量守恒,配平后的化学方程式为4Fe2P+11O2 4Fe2O3+2P2O5。②根据题干信息,首先硝酸分解得到NO2和O2,氧气将Fe2P氧化得到Fe2O3,但是经过浸取后,得到含有Fe3+、H3PO4的溶液,加入硫酸,可以溶解Fe2O3,也可以维持酸性环境,防止Fe3+水解,因此加入硫酸的目的是溶解Fe2O3等并保持体系的酸度;硝酸分解得到有害气体NO2,而活性炭的体表面积较大,可以吸附NO2等有害气体。③硝酸的浓度越大,其分解速率越快,导致浸取率降低。
【解析】
3.(2020年6月湖北省高三联考)钴钼系催化剂主要用于石油炼制等工艺,从废钴钼催化剂(主要含有MoS2、CoS和Al2O3)中回收钴和钼的工艺流程如图:
已知:浸取液中含金属元素的离子主要为MoO22+、Co2+、Al3+。(1)钼酸铵[(NH4)2MoO4]中Mo的化合价为 ,MoS2在空气中高温焙烧产生两种氧化物:SO2和 (填化学式)。 (2)酸浸时,生成MoO22+的离子方程式为 。 (3)若选择两种不同萃取剂按一定比例(协萃比)协同萃取Mo和Co2+,萃取情况如图所示,当协萃比= 更有利于Mo的萃取。
+6
MoO3
4∶1
(4)向有机相1中滴加氨水,发生反应的离子方程式为__________________________________。 (5)Co2+萃取的反应原理为Co2++2HR CoR2+2H+,向有机相2中加入H2SO4能进行反萃取的原因是 (结合平衡移动原理解释)。 (6)水相2中的主要溶质除了H2SO4外,还有 (填化学式)。 (7)Co3O4可用作电极,若选用KOH电解质溶液,通电时可转化为CoOOH,则阳极的电极反应式为 。
根据Co2++2HR CoR2+2H+可知,加入H2SO4,c(H+)增大,平衡向左移动
Al2(SO4)3
Co3O4+OH-+H2O-e- 3CoOOH
【解析】
(6)水相1中含有Co2+、Al3+、SO42-,经萃取分液后,水相2中含有H2SO4和Al2(SO4)3。(7)Co3O4可以表示成CoO·Co2O3,在碱性条件下可发生氧化反应,实质为CoO生成CoOOH,电极反应式为Co3O4+OH-+H2O-e- 3CoOOH。
4.(2020年湖北示范高中理科综合能力测试)钴(Co)及其化合物在工业上广泛应用于磁性材料、电池材料及超硬材料等领域。某学习小组欲从某工业废料中回收钴,设计的工艺流程如下(废料中含有Al、Co2O3和Fe2O3等物质):
请回答:(1)废料用NaOH溶液处理前通常先将废料粉碎,其目的是 。 (2)用稀H2SO4和H2O2溶液与Co2O3反应而达到浸出钴的目的,写出该反应的离子方程式: 。在实验室模拟工业生产时,也可用盐酸浸出钴,但实际工业生产中不用盐酸,请分析不用盐酸浸出钴的主要原因: 。 (3)碳酸钠溶液在过程Ⅱ和Ⅲ中所起作用有所不同,请写出碳酸钠在过程Ⅱ中发生反应生成沉淀的离子方程式: 。
增大反应物接触面积,加快反应速率
Co2O3可氧化盐酸产生Cl2,污染环境
NaOH的电子式为 。
(4)若在实验室中完成过程Ⅳ,则沉淀物需在 (填仪器名称)中灼烧;写出过程Ⅴ中发生反应的化学方程式: 。 (5)
坩埚
3CoO+2Al 3Co+Al2O3
Co(OH)3与盐酸在常温下能生成Cl2,写出该反应的离子方程式: 。
第一步中,Al和NaOH溶液反应,其离子方程式为2Al+2OH-+2H2O 2AlO2-+3H2↑,得到滤液和滤渣,因此采用的操作步骤是过滤,滤液中Al与CO2反应得到氢氧化铝沉淀,之后灼烧并通过电解熔融氧化铝得到单质铝。钴渣中Co2O3作氧化剂与过氧化氢反应,Co的化合价由+3→+2,之后调节pH得到Fe(OH)3,滤液中Co2+不能转化成沉淀,根据pH的范围为3.2≤pH<7.15,调节pH得到碳酸钴沉淀之后进行煅烧得到氧化钴,氧化钴与金属单质铝发生铝热反应得到金属单质Co。
【解析】
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