2022年高考化学一轮复习讲义第8章第42讲　专项提能特训16　化工流程中的Ksp计算 (含解析)

专项提能特训16　化工流程中的Ksp计算

1．Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备，工艺流程如下：

回答下列问题：

若“滤液②”中c(Mg2＋)＝0.02 mol·L－1，加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍)，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5 mol·L－1，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？___________________________________________________________________(列式计算)。

[已知：FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10－22、1.0×10－24]

答案　否。Fe3＋恰好沉淀完全时， c(PO)＝ mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1，c3(Mg2＋)·

c2(PO)＝0.013×(1.3×10－17)2＝1.69×10－40<Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀

2．高纯活性氧化锌可用于光催化、光电极、彩色显影等领域。以工业级氧化锌(含Fe2＋、Mn2＋、Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等)为原料，用硫酸浸出法生产高纯活性氧化锌的工艺流程如下：

已知Ksp[Fe(OH)3]＝4.0×10－38。

回答下列问题：

加入KMnO4溶液反应一段时间后，溶液中c(Fe3＋)＝0.56 mg·L－1，若溶液pH＝3，则此时Fe3＋________(填“能”或“不能”)生成沉淀。

答案　不能

解析　c(Fe3＋)＝＝1.0×10－5 mol·L－1，此时溶液中c(OH－)＝1.0×10－11 mol·L－1，c(Fe3＋)·c3(OH－)＝1.0×10－38＜Ksp[Fe(OH)3]，故不能生成Fe(OH)3沉淀。

3．(2020·四川泸州市高三模拟)金属钒主要用于冶炼特种钢， 被誉为 “合金的维生素”。工业上常用富钒炉渣 (主要含FeO·V2O3, 还有少量P2O5等杂质) 制取钒的流程如下图。

回答下列问题：

25 ℃时，Ksp(NH4VO3)＝4×10－2，电离常数Kb(NH3·H2O) ＝1.8×10－5。“沉钒” 后VO的浓度为 mol·L－1，则滤液的pH为________。除OH－与VO外，滤液中还可能存在的阴离子是______。

答案　4.5　Cl－和H2PO、PO或HPO

解析　25℃时，Ksp(NH4VO3)＝4×10－2，电离常数Kb(NH3·H2O) ＝1.8×10－5。“沉钒” 后VO的浓度为 mol·L－1，Ksp(NH4VO3)＝4×10－2＝c(NH)·c(VO)，c(NH)＝ mol·L－1＝1.8 mol·L－1，

　　　　　    NH＋H2ONH3·H2O＋H＋

开始/mol·L－1　 1.8　　　　　0　　　　0

变化/mol·L－1   x            x         x

平衡/mol·L－1   1.8－x        x         x

Kh＝＝＝，解得x＝c(H＋)≈10－4.5mol·L－1，则滤液的pH为4.5。除OH－与VO外，P2O5溶于水生成磷酸，磷酸电离出H2PO、PO或HPO ，滤液中还可能存在的阴离子是Cl－和H2PO、PO或HPO。

4．为回收利用废镍催化剂(主要成分为NiO，另含Fe2O3、CaO、CuO、BaO等)，科研人员研制了一种回收镍的新工艺。工艺流程如图所示：

已知：①常温下，有关氢氧化物开始沉淀和沉淀完全的pH如下表所示：

②常温下，Ksp(CaF2)＝2.7×10－11。

请回答下列问题：

(1)“操作B”的过程是，先在40～50 ℃加入H2O2，其作用是_____________________

(用离子方程式表示)；再调pH至3.7～7.7，操作B可除去溶液中的______(填元素名称)元素。

(2)操作C可除去溶液中的Ca2＋，若控制溶液中F－浓度为3.0×10－3mol·L－1，则溶液中＝________________________________________________________________________。

答案　(1)2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O　铁　(2)1.0×10－3

解析　(1)“操作B”的过程是，先在40～50 ℃加入H2O2，其作用是使溶液中的Fe2＋氧化为Fe3＋，反应的离子方程式为2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O；根据表格分析，调pH至3.7～7.7, 沉淀有Fe(OH)3和Fe(OH)2，操作B可除去溶液中的铁元素。

(2)根据常温时CaF2的溶度积常数为2.7×10－11可知，当溶液中F－浓度为3×10－3 mol·L－1时，Ca2＋的浓度为 mol·L－1＝3×10－6 mol·L－1，所以溶液中＝＝1.0×

10－3。

5．七铝十二钙(12CaO·7Al2O3)是新型的超导材料和发光材料，用白云石(主要含CaCO3和MgCO3)和废Al片制备七铝十二钙的工艺如下：

煅粉主要含MgO和________，用适量NH4NO3溶液浸取煅粉后，镁化合物几乎不溶，若滤液Ⅰ中c(Mg2＋)小于5×10－6mol·L－1，则溶液pH大于________[Mg(OH)2的Ksp＝5×10－12]；该工艺中不能用(NH4)2SO4代替NH4NO3，原因是__________________________________。

答案　CaO　11 　易生成硫酸钙微溶物，在过滤时被除去，导致碳酸钙产率降低

解析　白云石高温煅烧，CaCO3和MgCO3受热分解生成CaO和MgO，煅粉主要含有CaO和MgO。若滤液Ⅰ中c(Mg2＋)小于5×10－6mol·L－1，根据Ksp＝c(Mg2＋)·c2(OH－)得：c(OH－)＞＝ mol·L－1＝1×10－3 mol·L－1，c(H＋)＜＝1×10－11mol·L－1，即pH＞11。若用(NH4)2SO4代替NH4NO3，则(NH4)2SO4会与CaO反应生成CaSO4微溶物，在过滤时会被除去，造成生成的CaCO3减少。

6．(2020·四川省内江市模拟)硫酸铅( PbSO4) 广泛应用于制造铅蓄电池、白色颜料等。工业生产中利用方铅矿(主要成分为 PbS, 含有FeS2等杂质)和软锰矿(主要成分为MnO2 ) 制备PbSO4的工艺流程如图：

已知：i. PbCl2难溶于冷水，易溶于热水

ii. PbCl2(s)＋2Cl－ (aq)PbCl(aq)　ΔH> 0

iii.Ksp(PbSO4) ＝1.08 ×10－8 ，Ksp(PbCl2) ＝1.6×10－5

(1)20 ℃时 ，PbCl2 (s) 在不同浓度盐酸中的最大溶解量(g·L－1)如图所示。下列叙述正确的是____________(填字母)。

A．盐酸浓度越小，Ksp(PbCl2)越小

B．x、y 两点对应的溶液中c( Pb2＋ )不相等

C 当盐酸浓度为1 mol·L－1 时，溶液中c( Pb2＋)一定最小

D．当盐酸浓度小于1 mol·L－1时 ，随 HCl 浓度增大，PbCl2 溶解量减少是因为 Cl－浓度增大使 PbCl2溶解平衡逆向移动

(2)调 pH 的目的是________________________________，PbCl2 “转化”后得到 PbSO4, 当c(Cl－)＝ 0.1 mol·L－1时 ，c(SO) ＝______________________mol·L－1。

答案　(1)BD　(2)使 Fe3＋ 沉淀而除去　6.75×10－6

解析　(1)PbCl2是微溶化合物，溶于水存在平衡：PbCl2(s)Pb2＋(aq)＋2Cl－(aq)，由图像可知在盐酸的浓度为1 mol·L－1时溶解量最小；结合题目所给信息可知，盐酸的浓度小于1 mol·L－1时，主要是电离出的氯离子抑制氯化铅的溶解，大于1 mol·L－1时，可发生反应：PbCl2(s)＋2Cl－(aq)PbCl(aq)，促进溶解。Ksp(PbCl2)只受温度的影响，温度不变，则Ksp(PbCl2)不变，故A错误；根据分析可知x、y两点对应的溶液中的溶质不同，所以c(Pb2＋)不相等，故B正确；根据分析可知当盐酸浓度大于1 mol·L－1时，主要发生反应：PbCl2(s)＋2Cl－(aq)PbCl(aq)，所以此时c(Pb2＋)不一定最小，故C错误；根据分析可知盐酸浓度小于1 mol·L－1时，主要存在平衡PbCl2(s)Pb2＋(aq)＋2Cl－(aq)，氯离子的增多使平衡逆向移动，故D正确。

(2)调节pH的主要目的是使Fe3＋转化为沉淀，从而除去；沉淀转化的化学方程式为PbCl2(s)＋SO(aq)PbSO4(s)＋2Cl－(aq)，该反应的平衡常数K＝＝＝＝，所以当c(Cl－)＝0.1 mol·L－1时，c(SO)＝ mol·L－1＝6.75×10－6mol·L－1。

7．某工厂以重晶石(主要含BaSO4)为原料，生产“电子陶瓷工业支柱”——钛酸钡(BaTiO3)的工艺流程如下：

回答下列问题：

(1)用Na2CO3溶液浸泡重晶石(假设杂质不与Na2CO3反应)，能将BaSO4转化为BaCO3，此反应的平衡常数K＝____________(填写计算结果)；若不考虑CO的水解，要使2.33 g BaSO4恰好完全转化为BaCO3，则至少需要浓度为1.0 mol·L－1Na2CO3溶液______mL。[已知：Ksp(BaSO4)＝1.0×10－10，Ksp(BaCO3)＝5.0×10－9]

(2)流程中“混合”溶液的钛元素在不同pH时主要以TiO(OH)＋、TiOC2O4、TiO(C2O4)三种形式存在(变化曲线如图所示)。实际制备工艺中，先用氨水调节混合溶液的pH于2.8左右，再进行“沉淀”，其反应的离子方程式为__________________________；图中曲线c对应钛的形式为__________(填粒子符号)。

答案　(1)0.02　510　(2)TiO(C2O4)＋Ba2＋＋4H2O===BaTiO(C2O4)2·4H2O↓　TiO(OH)＋

解析　(1)在溶液中BaSO4存在沉淀溶解平衡，当向溶液中加入饱和Na2CO3溶液时，发生沉淀转化生成BaCO3：BaSO4(s)＋CO(aq)BaCO3(s)＋SO(aq)，待达到平衡后，移走上层清液，重复多次操作，最终BaSO4生成BaCO3；反应的平衡常数K＝＝＝＝＝0.02；2.33 g BaSO4物质的量为0.01 mol，根据BaSO4(s)＋CO(aq) BaCO3(s)＋SO(aq)，完全转化需要0.01 mol CO，同时溶液中产生0.01 mol SO，根据K值溶液中含有n(CO)＝＝0.5 mol，需要加入Na2CO3为0.01 mol＋0.5 mol＝

0.51 mol，需要Na2CO3溶液的体积为＝0.51 L＝510 mL。(2)“混合溶液”过程中，钛元素在不同pH下主要以TiOC2O4、TiO(C2O4)和TiO(OH)＋三种形式存在，调节混合液pH在2.8左右再进行沉淀，据“沉淀”时生成草酸氧钛钡晶体中含有TiO(C2O4)(即b微粒)，“沉淀”时的离子方程式为TiO(C2O4)＋Ba2＋＋4H2O===BaTiO(C2O4)2·4H2O↓；随着氨水的不断加入，溶液的pH不断增大，可以判断c对应钛的形式为TiO(OH)＋。