2020届二轮复习 第27题　无机化学工艺流程综合题 作业

第27题　无机化学工艺流程综合题

题组一　以陌生无机物分离、提纯流程为载体的综合题专练

1.氟碳铈矿(主要成分为CeFCO3)是提取稀土化合物、冶炼铈的重要矿物原料,以氟碳铈矿为原料提取铈的工艺流程如图所示。回答下列问题:

(1)CeFCO3中Ce的化合价为　　　　。

(2)氧化焙烧时不能使用陶瓷容器,原因是　　　　　　　　　　　　。

(3)氧化焙烧后的产物之一为CeO2,则酸浸时发生反应的离子方程式为　　　　　　　

　　　　　　　　。

(4)HT是一种难溶于水的有机溶剂,则操作1的名称为　　　　。

(5)为了提高酸浸率,可以适当提高反应温度,但温度偏高浸出率反而会减小,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。

(6)有机物HT能将Ce3+从水溶液中提取出来,该过程可表示为Ce3+(水层)+3HT(有机层) CeT3(有机层)+3H+(水层)。向CeT3(有机层)中加入稀硫酸能获得较纯的含Ce3+的水溶液,从平衡角度解释其原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

(7)已知,298 K时,Ksp[Ce(OH)3]=5×10-20,若溶液中c(Ce3+)=0.05 mol·L-1,加碱调节pH到  时Ce3+开始沉淀(忽略加碱过程中溶液体积变化)。

(8)写出向Ce(OH)3悬浊液中通入氧气得到产品Ce(OH)4的化学方程式:　 　　　　　　　

　　                 。

答案　(1)+3　(2)陶瓷中的SiO2会与生成的HF反应　(3)2CeO2+H2O2+6H+ 2Ce3++O2↑+4H2O　(4)分液　(5)温度升高,双氧水发生分解,造成浸出率偏小　(6)向混合液中加入稀硫酸,使c(H+)增大,平衡向形成Ce3+水溶液方向移动　(7)8　

(8)4Ce(OH)3+O2+2H2O 4Ce(OH)4

解析　(1)CeFCO3中C整体显-2价,F显-1价,根据化合物中各元素正负化合价的代数和为0,推出Ce的价态为+3价。

(2)陶瓷容器中含有SiO2,SiO2与HF发生反应:SiO2+4HF SiF4↑+2H2O,因此该流程中氧化焙烧时不能使用陶瓷容器。

(3)有机层CeT3中Ce显+3价,CeO2中Ce显+4价,即在酸浸时,Ce的价态降低,CeO2为氧化剂,H2O2为还原剂,反应的离子方程式为2CeO2+H2O2+6H+ 2Ce3++O2↑+4H2O。

(4)经过操作1后得到溶液和有机相,因此操作1的名称为分液。

(5)酸浸时加入H2O2,H2O2在高温下会发生分解,导致H2O2的量减少,造成浸出率降低。

(6)有机物HT能将Ce3+从水溶液中提取出来,该过程中存在Ce3+(水层)+3HT(有机层) CeT3(有机层)+3H+(水层),加入稀硫酸,c(H+)增大,平衡向逆反应方向进行,生成Ce3+的水溶液,能获得较纯含Ce3+的水溶液。

(7)Ce3+开始出现沉淀,c(Ce3+)·c3(OH-)=Ksp[Ce(OH)3],则有

c(OH-)== mol·L-1=1×10-6 mol·L-1,即当pH=8时Ce3+开始沉淀。

2.锌锰干电池是最早的实用电池。现用下列工艺回收正极材料中的金属(部分条件未给出)。

(1)碱性锌锰电池总反应为Zn+2MnO2+2H2O Zn(OH)2+2MnO(OH),电解质是KOH,MnO(OH)中Mn的化合价为　　　　,正极反应式为　　　　　　　　　　　　　　。

(2)黑粉的主要成分为MnO2和石墨,写出反应①的化学方程式:　　　　　　　　　　　　

　　　　　　。

(3)MnO2的转化率与温度的关系如下表:

生产中常选反应温度为80 ℃,其理由是　　　　　　　　　　　　　　　。

(4)“沉锰”过程中生成碱式碳酸锰[MnCO3·6Mn(OH)2·5H2O],写出其离子方程式:　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　。滤液③中可回收的物质为　　　　　　(填化学式)。

(5)用硫酸酸化的MnO2浆液可吸收工业废气中的SO2生成MnSO4·H2O,已知浆液中MnO2含量为a%,工业废气中SO2含量为b g·m-3,SO2的吸收率可达90%,则处理1 000 m3工业尾气,可得到MnSO4·H2O的质量为　　　　kg(用含字母的代数式表示)。

答案　(1)+3　MnO2+H2O+e- MnO(OH)+OH-

(2)MnO2+2FeSO4+2H2SO4 MnSO4+Fe2(SO4)3+2H2O

(3)由表格中的数据可知,MnO2的转化率随温度的升高而升高,80 ℃时MnO2的转化率已经较高,更高的温度会增加能耗,增大生产成本

(4)7Mn2++7C+11H2O MnCO3·6Mn(OH)2·5H2O↓+6CO2↑　Na2SO4

(5)或

解析　(1)碱性锌锰电池总反应为Zn+2MnO2+2H2O Zn(OH)2+2MnO(OH),MnO(OH)中氧元素为-2价,氢元素为+1价,则Mn的化合价为+3价;正极MnO2得到电子产生MnO(OH),电极反应式为MnO2+H2O+e- MnO(OH)+OH-。

(2)黑粉的主要成分为MnO2和石墨,加入FeSO4-H2SO4混合液后反应的化学方程式为MnO2+2FeSO4+2H2SO4 MnSO4+Fe2(SO4)3+2H2O。

(3)由题目表格中的数据可知,MnO2的转化率随温度的升高而升高,80 ℃时MnO2的转化率已经较高,更高的温度会增加能耗,增大生产成本,故生产中常选反应温度为80 ℃。

(4)“沉锰”过程中碳酸钠与硫酸锰反应生成碱式碳酸锰[MnCO3·6Mn(OH)2·5H2O],碳酸钠水解生成氢氧化钠进而生成氢氧化锰沉淀促进水解放出二氧化碳,反应的离子方程式为7Mn2++7C+11H2O MnCO3·6Mn(OH)2·5H2O↓+6CO2↑,根据该离子方程式可知,滤液③中可回收的物质为Na2SO4。

(5)用硫酸酸化的MnO2浆液可吸收工业废气中的SO2生成MnSO4·H2O,反应的化学方程式为MnO2+SO2+H2O MnSO4·H2O。1 000 m3工业尾气中含有SO2的物质的量为=

mol,则生成MnSO4·H2O的物质的量为 mol×90%= mol,MnSO4·H2O的质量为 mol×169 g·mol-1= g= kg或 kg。

题组二　以陌生无机物制备流程为载体的综合题专练

1.2019年为门捷列夫发现元素周期律150周年。门捷列夫预言了很多未知元素,锗是其中一种,工业上用精硫锗矿(主要成分为GeS2)制取高纯度锗,其工艺流程如图所示。请回答:

(1)锗在元素周期表中的位置是　　　　　　　。

(2)800 ℃,在N2氛围中使精硫锗矿升华的目的是　　　　　　　　　　　　　　。

(3)酸浸时Ge、S元素均被氧化到最高价态,写出该反应的离子方程式:　　　　　　

　　　　　　　　　。酸浸时温度不能过高的原因是　　　　　　　　。

(4)GeCl4易水解生成GeO2·nH2O,温度对GeCl4水解率的影响如图所示,为提高水解率,实验时可采取的措施为　　　　(填序号)。

A.冰水浴　　B.冰盐水浴　　C.49 ℃水浴

(5)请判断25 ℃时0.1 mol·L-1 NaHGeO3溶液的pH　　(填“>”“=”或“<”)7,理由是

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(已知25 ℃时,H2GeO3的Ka1=1.7×10-9,

Ka2=1.9×10-13)。 

答案　(1)第四周期第ⅣA族　(2)避免GeS2被氧化,得到较纯净的GeS2　(3)GeS+8H++10N GeO2+S+10NO2↑+4H2O　浓硝酸受热易分解　(4)B　(5)>　NaHGeO3溶液中HGe的水解程度大于其电离程度,溶液显碱性,故pH>7

解析　(1)Ge在元素周期表中位于第四周期第ⅣA族。

(2)根据题干信息可知,在N2氛围中使精硫锗矿升华的目的是避免GeS2被氧化,得到较为纯净的GeS2。

(3)浓硝酸酸浸GeS时,Ge、S元素均被氧化到最高价态,则生成GeO2、S,N被还原为二氧化氮气体,离子方程式为GeS+8H++10N GeO2+S+10NO2↑+4H2O;浓硝酸受热易分解,故酸浸时温度不能过高。

(4)GeCl4易水解生成GeO2·nH2O,根据题图知,温度较低时水解率较高,为提高水解率,可选用冰盐水浴。

(5)已知25 ℃时H2GeO2的Ka1=1.7×10-9,Ka2=1.9×10-13,NaHGeO3的水解常数Kh==×10-5>Ka2(1.9×10-13),即NaHGeO3溶液中HGe的水解程度大于其电离程度,溶液显碱性,故pH>7。

2.锑(Sb)及其化合物在工业上有许多用途。以辉锑矿(主要成分为Sb2S3,还含有PbS、As2S3、CuO、SiO2等)为原料制备金属锑的工艺流程如图所示:

已知:①浸出液中除含过量盐酸和SbCl5之外,还含有SbCl3、PbCl2、AsCl3、CuCl2等;

②常温下:Ksp(CuS)=1.27×10-36,Ksp(PbS)=9.04×10-29;

③溶液中离子浓度≤1.0×10-5 mol·L-1时,认为该离子沉淀完全。

(1)滤渣1中除了S之外,还有　　　　(填化学式)。

(2)“浸出”时,Sb2S3发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　。

(3)“还原”时,被Sb还原的物质为　　　　(填化学式)。

(4)常温下,“除铜、铅”时,Cu2+和Pb2+均沉淀完全,此时溶液中的c(S2-)不低于　　　　　

　　;所加Na2S也不宜过多,其原因为　　　　　　　　　　　　。

(5)“除砷”时有H3PO3生成,该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

(6)“电解”时,被氧化的Sb元素与被还原的Sb元素的质量之比为　　　　。

答案　(1)SiO2　(2)Sb2S3+3SbCl5 5SbCl3+3S　(3)SbCl5　(4)9.04×10-24 mol·L-1　产生H2S等污染性气体(或生成Sb2S3)　(5)2AsCl3+3Na3PO2+3HCl+3H2O 2As↓+3H3PO3+9NaCl　(6)3∶2

解析　(1)SiO2不溶于盐酸,所以滤渣1中除了S之外,还有SiO2。

(2)“浸出”时Sb2S3中的硫元素被SbCl5氧化为S,SbCl5被还原为SbCl3,反应的化学方程式是Sb2S3+3SbCl5 5SbCl3+3S。

(3)“还原”时,加入适量的Sb还原“浸出”时加入的过量SbCl5,所以被Sb还原的物质为SbCl5。

(4)由Ksp(CuS)=1.27×10-36,Ksp(PbS)=9.04×10-29可知,Cu2+先沉淀,当Pb2+恰好完全沉淀时,Cu2+已经完全沉淀;Pb2+完全沉淀时,c(Pb2+)≤1.0×10-5 mol·L-1,Ksp(PbS)=9.04×10-29,所以此时溶液中的c(S2-)≥= mol·L-1=9.04×10-24 mol·L-1;所加Na2S过多,会生成H2S等污染性气体或生成Sb2S3。

(5)“除砷”时Na3PO2与AsCl3发生氧化还原反应生成As和H3PO3,反应的化学方程式为2AsCl3+3Na3PO2+3HCl+3H2O 2As↓+3H3PO3+9NaCl。

(6)“电解”时部分SbCl3在阳极被氧化为SbCl5,部分SbCl3在阴极被还原为Sb,根据得失电子守恒知,被氧化的Sb元素与被还原的Sb元素的质量之比为3∶2。