鲁科版 (2019)选择性必修1微项目 揭秘索尔维制碱法和侯氏制碱法——化学平衡思想的创造性应用达标测试

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1．某小组设计如图所示装置(夹持装置略去)，在实验室模拟侯氏制碱工艺中NaHCO3的制备，下列说法不正确的是( )
A.③、⑤中可分别盛放饱和食盐水和浓氨水
B.应先向③中通入足量NH3，再通入足量CO2
C.③中反应的离子方程式为NH3＋CO2＋H2O===NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3))
D.装置①也可用于制H2
2．下表是几种物质在指定温度下的溶解度。工业上将相同物质的量的NaCl、CO2、NH3在30℃时配成溶液，此时溶液中无晶体析出。当降温至某温度时，开始析出晶体，此晶体是( )
A.NH4ClB．NH4HCO3
C．NaHCO3D．NaCl
3．联合制碱法中关键的一步是把NH4Cl从几乎饱和的NaHCO3溶液中分离出来，为此根据NaCl和NH4Cl溶解度的差异，向混合溶液中通入某种气体，同时加入磨细的食盐，可析出不夹带NaHCO3的NH4Cl。NaCl和NH4Cl共同存在时的溶解度曲线如图所示，以下操作正确的是( )
4.以菱镁矿(主要成分为MgCO3，含少量SiO2、Fe2O3和Al2O3)为原料制备高纯镁砂的工艺流程如下：
已知浸出时产生的废渣中有SiO2、Fe(OH)3和Al(OH)3。下列说法错误的是( )
A．浸出镁的反应为MgO＋2NH4Cl===MgCl2＋2NH3↑＋H2O
B.浸出和沉镁的操作均应在较高温度下进行
C．流程中可循环使用的物质有NH3、NH4Cl
D．分离Mg2＋与Al3＋、Fe3＋是利用了它们氢氧化物Ksp的不同
5．侯氏制碱法原理：将NH3和CO2气体通入饱和食盐水中即可获得NaHCO3和NH4Cl的混合物，然后分离出NaHCO3再加热制得纯碱。其流程如下：
参照下表：
回答下列问题：
(1)气体A、B依次是________。
A．CO2、NH3 B．NH3、CO2
C．任何顺序都可以
(2)写出Ⅰ和Ⅱ步骤总反应的化学方程式：________________________________________________________________________
__________________________。由反应原理可知，a________9.6(填“<”“>”或“＝”)。
(3)操作Ⅲ的名称是________，化学实验室进行该操作用到的主要玻璃仪器有________________。
(4)经步骤Ⅲ所得溶液中含有的盐为________(写化学式)。经过________(填操作名称)后可以得到化肥。
(5)每当通入NH344.8L(标准状况下)时可以得到纯碱100.0g，则NH3的利用率为________。
[能力提升练]
6．某同学利用Cl2氧化K2MnO4制备KMnO4的装置如下图所示(夹持装置略)：
已知：锰酸钾(K2MnO4)在浓强碱溶液中可稳定存在，碱性减弱时易发生反应：
3MnO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H2O===2MnO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(4)) ＋MnO2↓＋4OH－
回答下列问题：
(1)装置A中a的作用是________________；装置C中的试剂为________；装置A中制备Cl2的化学方程式为________________________________。
(2)上述装置存在一处缺陷，会导致KMnO4产率降低，改进的方法是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)KMnO4常作氧化还原滴定的氧化剂，滴定时应将KMnO4溶液加入________(填“酸式”或“碱式”)滴定管中；在规格为50.00mL的滴定管中，若KMnO4溶液起始读数为15.00mL，此时滴定管中KMnO4溶液的实际体积为________(填标号)。
A．15.00mL B．35.00mL
C．大于35.00mL D．小于15.00mL
(4)某FeC2O4·2H2O样品中可能含有的杂质为Fe2(C2O4)3、H2C2O4·2H2O，采用KMnO4滴定法测定该样品的组成，实验步骤如下：
Ⅰ.称取mg样品于锥形瓶中，加入稀H2SO4溶解，水浴加热至75℃。用cml·L－1的KMnO4溶液趁热滴定至溶液出现粉红色且30s内不褪色，消耗KMnO4溶液V1mL。
Ⅱ.向上述溶液中加入适量还原剂将Fe3＋完全还原为Fe2＋，加入稀H2SO4酸化后，在75℃继续用KMnO4溶液滴定至溶液出现粉红色且30s内不褪色，又消耗KMnO4溶液V2mL。
样品中所含H2C2O4·2H2O(M＝126g·ml－1)的质量分数表达式为________________。
下列关于样品组成分析的说法，正确的是________(填标号)。
A．eq \f(V1,V2)＝3时，样品中一定不含杂质
B．eq \f(V1,V2)越大，样品中H2C2O4·2H2O含量一定越高
C．若步骤Ⅰ中滴入KMnO4溶液不足，则测得样品中Fe元素含量偏低
D．若所用KMnO4溶液实际浓度偏低，则测得样品中Fe元素含量偏高
7．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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)滤液Ⅰ可循环使用，应当将其导入到________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≤1.0×10－5ml·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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
8．工业上，处理低品位黄铜矿[二硫化亚铁铜(CuFeS2)含量较低]常采用生物堆浸法。堆浸所得的溶液可用于制备绿矾(FeSO4·7H2O)和胆矾(CuSO4·5H2O)，相关流程如图。
已知：①生物堆浸使用的氧化亚铁硫杆菌(T.f细菌)在pH为1.0～6.0的范围内可保持活性。
②该工艺条件下，金属离子沉淀的pH如下表。
(1)生物堆浸前，需先将矿石进行研磨，目的是
________________________________________________________________________。
(2)生物堆浸过程的反应在T.f细菌的作用下进行，主要包括两个阶段，第一阶段的反应为CuFeS2＋4H＋＋O2eq \(=====,\s\up7(T.f细菌))Cu2＋＋Fe2＋＋2S＋2H2O，第二阶段的反应为Fe2＋继续被氧化转变成Fe3＋，反应的离子方程式为___________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)结合已知推断：生物堆浸过程中，应控制溶液的pH在________的范围内。
(4)过程Ⅰ中，加入Na2S2O3固体会还原堆浸液中的Fe3＋，得到溶液X。为判断堆浸液中Fe3＋是否被还原完全，可取少量溶液X，向其中加入________试剂(填试剂的化学式)，观察溶液颜色变化。
(5)过程Ⅱ中，用H2O2和稀硫酸处理后，CuS完全溶解，用离子方程式表示H2O2的作用是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)绿矾的纯度可通过KMnO4滴定法测定。取mg绿矾晶体，加适量稀硫酸溶解。用物质的量浓度为cml·L－1的KMnO4溶液滴定。至恰好完全反应时，消耗KMnO4溶液的体积为VmL。绿矾晶体的质量分数为____________(已知：FeSO4·7H2O的摩尔质量为278g·ml－1)。
课时作业24 揭秘索尔维制碱法和侯氏制碱法
1．解析：装置①用来制备二氧化碳气体，通过饱和碳酸氢钠溶液除去氯化氢气体，装置④用来制备氨气，装置③中盛有饱和氯化钠溶液，向其中依次通入氨气、二氧化碳，发生反应得到碳酸氢钠晶体。③中盛装饱和食盐水，用来制备碳酸氢钠，⑤中盛装浓氨水，浓氨水滴入碱石灰，生成氨气，故A正确；由于二氧化碳的溶解度较小，先通入氨气后再通入二氧化碳，故B正确；装置③中反应为氨气、二氧化碳、氯化钠和水反应生成碳酸氢钠晶体和氯化铵，碳酸氢钠晶体不能拆成离子的形式，故C不正确；可以利用装置①制备氢气，故D正确。
答案：C
2．解析：根据表中数据可知，相同温度下，NaHCO3的溶解度最小，故首先析出的物质应是NaHCO3。
答案：C
3．解析：由图可知，溶液的温度在0～10℃的范围内，有利于NH4Cl的析出。向溶液中通入NH3，NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) 浓度增大，有利于NH4Cl的析出。
答案：D
4．解析：A项，通过煅烧操作，MgCO3转化为MgO，NH4Cl溶液显酸性，能与MgO发生反应，正确；B项，适当升高温度，可以加快反应速率，提高浸出率，但沉镁时加入的一水合氨受热易分解，故浸出时可以适当升高温度，沉镁时温度不宜过高，错误；C项，结合题给流程图，浸出时有氨气产生，沉镁时发生的反应为MgCl2＋2NH3·H2O===Mg（OH）2↓＋2NH4Cl，故可循环使用的物质有NH3、NH4Cl，正确；D项，结合题给已知信息浸出时产生的废渣中有SiO2、Fe（OH）3、Al（OH）3可知，Fe3＋、Al3＋在弱酸性环境中完全沉淀，而Mg2＋没有产生沉淀，利用了它们氢氧化物Ksp的不同，正确。
答案：B
5．解析：（1）氨气在水溶液中溶解度大，故侯氏制碱法中先向饱和食盐水中通入NH3，后通入CO2。
（2）由侯氏制碱法原理可知，同温下NaCl的溶解度大于NaHCO3的溶解度，a>9.6。
（5）由反应转化关系：NH3～NaCl～eq \f(1,2)Na2CO3，当得到100.0g纯碱时，消耗NH3的物质的量为eq \f(100.0g,106g·ml－1)×2≈1.887ml，则NH3的利用率为eq \f(1.887ml×22.4L·ml－1,44.8L)×100%＝94.35%。
答案：（1）B
（2）NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl >
（3）过滤 烧杯、漏斗、玻璃棒
（4）NaHCO3、NH4Cl 结晶
（5）94.35%
6．解析：（1）装置A中a为恒压滴液漏斗，可平衡气压，使浓盐酸顺利滴下；装置C为尾气处理装置，用于吸收未反应的Cl2；漂白粉中含有Ca（ClO）2，与浓盐酸发生氧化还原反应，生成CaCl2、Cl2和H2O。
（2）装置A生成的Cl2中会混有HCl气体，通入装置B中可使浓强碱溶液碱性减弱，导致部分MnO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 转化为MnO2，使KMnO4产率降低，改进的方法是在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶，以除去Cl2中的HCl气体。
（3）氧化性试剂应盛放在酸式滴定管中；50.00mL滴定管的最大刻度线下方还盛有溶液，若KMnO4溶液起始读数为15.00mL，此时滴定管中KMnO4溶液的实际体积大于35.00mL。
（4）若样品中含有FeC2O4·2H2O、Fe2（C2O4）3、H2C2O4·2H2O三种物质，可设该三种物质的物质的量分别为xml、yml、zml，依据得失电子守恒，可得3x＋6y＋2z＝cV1×10－3×5；依据铁原子守恒和得失电子守恒，可得x＋2y＝cV2×10－3×5，两式联立，解得z＝eq \f(（V1－3V2）×5c×10－3,2)，H2C2O4·2H2O的质量为eq \f(（V1－3V2）×5c×10－3×126,2)g＝0.315c（V1－3V2）g，则样品中所含H2C2O4·2H2O的质量分数表达式为eq \f(0.315c（V1－3V2）,m)×100%。eq \f(V1,V2)＝3时，H2C2O4·2H2O的质量分数为0，但可能含有杂质Fe2（C2O4）3，A不正确；eq \f(V1,V2)越大，eq \f(0.315c（V1－3V2）,m)×100%的值越大，样品中H2C2O4·2H2O含量越高，B正确；若步骤Ⅰ中滴入KMnO4溶液不足，会导致步骤Ⅱ中KMnO4溶液消耗体积偏大，则测得样品中Fe元素含量偏高，C不正确；若所用KMnO4溶液实际浓度偏低，会导致步骤Ⅱ中消耗KMnO4溶液体积偏大，则测得样品中Fe元素含量偏高，D正确。
答案：（1）平衡气压，使浓盐酸顺利滴下 NaOH溶液
Ca（ClO）2＋4HCl===CaCl2＋2Cl2↑＋2H2O
（2）在装置A、B之间加装盛有饱和食盐水的洗气瓶
（3）酸式 C
（4）eq \f(0.315c（V1－3V2）,m)×100% BD
7．解析：（1）预先粉碎软锰矿，可以增大接触面积，充分反应，从而提高反应速率和原料的利用率。从题给流程图中可以看出，MnO2和BaS溶液反应除生成MnO外，还生成S和Ba（OH）2，根据得失电子守恒和原子守恒可得反应的化学方程式为MnO2＋BaS＋H2O===MnO＋Ba（OH）2＋S。（2）由题给信息可知MnO2是一种两性氧化物，故可与Ba（OH）2反应，Ba（OH）2的量会减少。（3）蒸发结晶析出Ba（OH）2，过滤后，滤液Ⅰ是饱和的Ba（OH）2溶液，其中含有Ba（OH）2，为循环使用，可将其导入到蒸发操作中。（4）为除尽Fe2＋，可加入H2O2将其氧化为Fe3＋。由题表中相关物质的Ksp可知，Fe3＋完全沉淀需要的pH比Al3＋完全沉淀所需pH小，溶液pH只需达到Al3＋完全沉淀所需pH即可；设Al3＋恰好完全沉淀时溶液中OH－浓度为xml·L－1，则1.0×10－5×x3＝1×10－32.3，x＝10－9.1，pOH＝9.1，pH＝14－9.1＝4.9。（5）碳化过程中生成MnCO3的反应为Mn2＋＋HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===MnCO3↓＋H＋，生成的H＋再和所加氨水反应生成NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ，故反应的离子方程式为Mn2＋＋HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋NH3·H2O===MnCO3↓＋NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋H2O。
答案：（1）增大接触面积，充分反应，提高反应速率
MnO2＋BaS＋H2O===Ba（OH）2＋MnO＋S
（2）过量的MnO2消耗了产生的Ba（OH）2
（3）蒸发
（4）H2O2 4.9
（5）Mn2＋＋HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋NH3·H2O===MnCO3↓＋NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋H2O
8．解析：（1）将矿石进行研磨，可增大反应物的接触面积，加快生物堆浸的反应速率。
（2）根据题意知Fe2＋继续被O2氧化转变成Fe3＋，反应的离子方程式为4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O。
（3）生物堆浸过程中，pH不能超过1.5，否则Fe3＋开始沉淀，pH不能小于1.0，否则生物堆浸使用的氧化亚铁硫杆菌（T.f细菌）活性低，所以应控制溶液的pH在1.0～1.5的范围内。
（4）为判断堆浸液中Fe3＋是否被还原完全，即检验Fe3＋是否有剩余，可向堆浸液中加入KSCN试剂，若溶液变为血红色，说明Fe3＋没有被还原完全。
（5）过程Ⅱ中，用H2O2和稀硫酸处理后，CuS完全溶解，生成CuSO4，H2O2表现氧化性，反应的离子方程式为4H2O2＋CuS===Cu2＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O。
（6）通过KMnO4滴定法测定绿矾的纯度，根据得失电子守恒以及Fe元素守恒得关系式：MnO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(4)) ～5Fe2＋～5FeSO4·7H2O，所以n（FeSO4·7H2O）＝5n（KMnO4）＝5×cml·L－1×V×10－3L＝5×10－3cVml，绿矾晶体质量分数为eq \f(5×10－3cVml×278g·ml－1,mg)×100%＝eq \f(1.39cV,m)×100%。
答案：（1）增大反应物的接触面积，加快生物堆浸的反应速率
（2）4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O
（3）1.0～1.5
（4）KSCN
（5）4H2O2＋CuS===Cu2＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O
（6）eq \f(1.39cV,m)×100%
温度/℃
溶解度/g
盐
0
10
20
30
NH4Cl
29.4
33.3
37.2
41.1
NH4HCO3
11.9
15.9
21.0
27.0
NaHCO3
6.9
8.15
9.6
11.1
NaCl
35.7
35.8
36.0
36.4
选项
通入气体
温度控制
A
CO2
30～40℃
B
CO2
0～10℃
C
NH3
30～40℃
D
NH3
0～10℃
物质
CO2
NH3
NaHCO3
NH4Cl
NaCl
溶解度(20℃)
V水∶V二氧化碳＝1∶1
V水∶V氨气＝1∶700
9.6g
37.2g
ag
物质
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Mn(OH)2
Ksp
1×10－16.3
1×10－38.6
1×10－32.3
1×10－12.7
Fe3＋
Cu2＋
Fe2＋
开始沉淀时的pH
1.5
4.2
6.3
完全沉淀时的pH
2.8
6.7
8.3