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2020高考化学刷题冲刺含最新模拟题专题六铁铜及其化合物金属的冶炼讲义含解析
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专题六 铁、铜及其化合物 金属的冶炼
考点1 铁及其重要化合物
1.[2019全国卷Ι,27,15分]硫酸铁铵 [NH4 Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源,变废为宝,在实验室中探究采用废
铁屑来制备硫酸铁铵,具体流程如下:
回答下列问题:
(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,方法是 。
(2)步骤②需要加热的目的是 ,温度保持80~95 ℃,采用的合适加热方式是 。铁屑中含有少量硫化物,反应产生的气体需要净化处理,合适的装置为 (填标号)。
A B C D
(3)步骤③中选用足量的H2O2,理由是 。分批加入H2O2,同时为了 ,溶液要保持pH小于0.5。
(4)步骤⑤的具体实验操作有 ,经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。
(5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数,将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水,失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为 。
以铁为主要原料制备硫酸铁铵的工艺流程为载体,考查铁、亚铁离子、铁离子的主要性质和制备过程中,涉及的皂化反应、硫化氢的吸收、温度对反应速率的影响、化学式的计算等基础必备知识,体现高考试题设计重视基础性、综合性和应用性的命题新动向。
解题模型:链接考法1 命题角度2
2.[2018北京,28,16分]实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。
资料:K2FeO4为紫色固体,微溶于KOH溶液;具有强氧化性,在酸性或中性溶液中快速产生O2,在碱性溶液中较稳定。
(1)制备K2FeO4(夹持装置略)
①A为氯气发生装置。A中反应方程式是 (锰被还原为Mn2+)。
②将除杂装置B补充完整并标明所用试剂。
③C中得到紫色固体和溶液。C中Cl2发生的反应有3Cl2+2Fe(OH)3+10KOH2K2FeO4+6KCl+8H2O,另外还有 。
(2)探究K2FeO4的性质
①取C中紫色溶液,加入稀硫酸,产生黄绿色气体,得溶液a,经检验气体中含有Cl2。为证明是否K2FeO4氧化了Cl-而产生Cl2,设计以下方案:
方案Ⅰ
取少量a,滴加KSCN溶液至过量,溶液呈红色
方案Ⅱ
用KOH溶液充分洗涤C中所得固体,再用KOH溶液将K2FeO4溶出,得到紫色溶液b。取少量b,滴加盐酸,有Cl2产生
i.由方案Ⅰ中溶液变红可知a中含有 离子,但该离子的产生不能判断一定是K2FeO4将Cl-氧化,还可能由 产生(用方程式表示)。
ii.方案Ⅱ可证明K2FeO4氧化了Cl-。用KOH溶液洗涤的目的是 。
②根据K2FeO4的制备实验得出:氧化性Cl2 FeO42-(填“>”或“<”),而方案Ⅱ实验表明,Cl2和FeO42-的氧化性强弱关系相反,原因是 。
③资料表明,酸性溶液中的氧化性FeO42->MnO4-,验证实验如下:将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中,振荡后溶液呈浅紫色。该现象能否证明氧化性FeO42->MnO4-。若能,请说明理由;若不能,进一步设计实验方案。
理由或方案: 。
把元素化合物的知识与实验探究整合在一起设计试题,引导中学教学重视提升考生化学学科核心素养,是高考命题的新动向。本题提供高铁酸钾的部分性质,考查考生现场学习并获取有用信息,结合所学知识解决实际问题的能力,也很好地考查了考生思辨的能力:在酸性环境中,高铁酸根离子的氧化性强于氯气,在碱性环境中,氯气的氧化性强于高铁酸根离子。
解题模型:链接考法1 命题角度1
考点2 铜及其化合物
3.[2017江苏,18,12分]碱式氯化铜是重要的无机杀菌剂。
(1)碱式氯化铜有多种制备方法。
①方法1:45~50 ℃时,向CuCl悬浊液中持续通入空气得到Cu2(OH)2 Cl2·3H2O,该反应的化学方程式为 。
②方法2: 先制得CuCl2,再与石灰乳反应生成碱式氯化铜。Cu与稀盐酸在持续通入空气的条件下反应生成CuCl2,Fe3+对该反应有催化作用,其催化原理如图所示。M'的化学式为 。
(2)碱式氯化铜有多种组成,可表示为Cua(OH)bClc·xH2O。为测定某碱式氯化铜的组成, 进行下列实验:①称取样品1.116 0 g,用少量稀HNO3溶解后配成100.00 mL 溶液A;②取25.00 mL 溶液A,加入足量AgNO3溶液,得AgCl 0.172 2 g;③另取25. 00 mL 溶液A,调节pH 4~5,用浓度为0.080 00 mol·L-1的EDTA(Na2H2Y·2H2O)标准溶液滴定Cu2+(离子方程式为Cu2++H2Y2-CuY2-+2H+),滴定至终点,消耗标准溶液30.00 mL。通过计算确定该样品的化学式(写出计算过程)。
本题考查考生三方面能力:一是利用所学氧化还原知识,理解氯化亚铜悬浊液被氧气氧化生成碱式氯化铜的过程,并能快速准确写出该反应方程式的能力;二是阅读理解能力,先利用铁离子具有较强氧化性溶解不活泼金属铜,再利用氧气氧化亚铁离子生成铁离子,这两个反应循环就制得氯化铜,最后将氯化铜与石灰乳反应制得碱式氯化铜;三是化学计算能力。通过化学实验结合化学计算确定未知的化学式,是考生的基本能力之一。
解题模型:链接考法3 命题角度1
4.[2017浙江下半年选考,28,4分]为了探究铁、铜及其化合物的性质,某同学设计并进行了下列实验。
已知:3Fe(s)+4H2O(g) Fe3O4(s)+4H2(g)
请回答:
(1)虚线框处宜选择的装置是 (填“甲”或“乙”);实验时应先将螺旋状铜丝加热,变黑后再趁热迅速伸入所制得的纯净氢气中,观察到的实验现象是 。
(2)实验后,取硬质玻管中适量的固体,用一定浓度的盐酸溶解,滴加KSCN溶液,没有出现红色,说明该固体中没有+3价的铁。判断结论是否正确并说明理由 。
试题创设崭新情境考查铁与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气、氢气还原灼热氧化铜、铁离子的检验等必备基础知识。
解题模型:链接考法1 命题角度1;考法3命题角度1
考点3 金属材料与金属矿物的开发利用
5.[2018全国卷Ⅱ,26,14分]我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。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:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子
Fe3+
Fe2+
Zn2+
Cd2+
开始沉淀的pH
1.5
6.3
6.2
7.4
沉淀完全的pH
2.8
8.3
8.2
9.4
回答下列问题:
(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为 。
(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有 ;氧化除杂工序中ZnO的作用是 ,若不通入氧气,其后果是 。
(3)溶液中的Cd2+可用锌粉除去,还原除杂工序中反应的离子方程式为 。
(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时,阴极的电极反应式为 ;沉积锌后的电解液可返回 工序继续使用。
硫化锌的焙烧类似于黄铁矿(FeS2)焙烧,生成金属氧化物和二氧化硫;电解硫酸锌溶液制备单质锌类似于电解硫酸铜溶液,阴极生成金属单质,阳极生成氧气和硫酸。本题考查考生将所学知识迁移到新情境中解决实际问题的能力。
解题模型:链接素材5
考点1 铁及其重要化合物
考法1 “铁三角”及其应用
命题角度1 以实验为载体考查含铁化合物的性质与制备(热点角度)
1 [2017全国卷Ⅲ,26,14分]绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁,在工农业生产中具有重要的用途。某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。回答下列问题:
(1)在试管中加入少量绿矾样品,加水溶解,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化。再向试管中通入空气,溶液逐渐变红。由此可知: 、 。
(2)为测定绿矾中结晶水含量,将石英玻璃管(带两端开关K1和K2)(设为装置A)称重,记为m1 g。将样品装入石英玻璃管中,再次将装置A称重,记为m2 g。按如图连接好装置进行实验。
①仪器B的名称是 。
②将下列实验操作步骤正确排序 (填标号);重复上述操作步骤,直至A恒重,记为m3 g。
a.点燃酒精灯,加热 b.熄灭酒精灯 c.关闭K1和K2 d.打开K1和K2,缓缓通入N2 e.称量A f.冷却到室温
③根据实验记录,计算绿矾化学式中结晶水数目x= (列式表示)。若实验时按a、d次序操作,则使x (填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(3)为探究硫酸亚铁的分解产物,将(2)中已恒重的装置A接入下图所示的装置中,打开K1和K2,缓缓通入N2,加热。实验后反应管中残留固体为红色粉末。
①C、D中的溶液依次为 (填标号)。C、D中有气泡冒出,并可观察到的现象分别为 。
a.品红 b.NaOH c.BaCl2 d.Ba(NO3)2 e.浓H2SO4
②写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式 。
(1)样品溶于水后,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化,说明样品中不含三价铁;再向试管中通入空气,溶液逐渐变红,则说明空气中的O2氧化了亚铁离子,即亚铁离子易被空气中的氧气氧化。(2)测定硫酸亚铁晶体中结晶水含量,关键是要排尽装置内的空气,避免O2氧化亚铁离子,导致结晶水含量测量不准确。①仪器B为干燥管;②测定结晶水的过程:先打开K1和K2,缓缓通入氮气排尽装置中的空气,再点燃酒精灯加热,一段时间后熄灭酒精灯,冷却至室温,关闭K1和K2,称量A。故正确的操作步骤为dabfce。③A的质量为m1g,样品和A的总质量为m2g,硫酸亚铁和A的总质量为m3g。则m(FeSO4)=(m3-m1)g,m(H2O)=(m2-m3)g,有18x152=m2-m3m3-m1,解得x=152(m2-m3)18(m3-m1)=76(m2-m3)9(m3-m1)。若先加热,后通入氮气,石英玻璃管内空气中的O2会氧化绿矾,使m3增大,所以76(m2-m3)9(m3-m1)会偏小。(3)硫酸亚铁分解实验中,生成了红色粉末(氧化铁),说明必有元素化合价降低,暗示有SO2生成。根据得失电子守恒和原子守恒可写出反应的化学方程式2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑。SO3极易溶于水且能与水反应生成H2SO4,故应先检验SO3。SO3可用BaCl2溶液检验,但不能用硝酸钡溶液检验,因为硝酸钡溶液吸收SO3或SO2时都会生成硫酸钡沉淀;SO2可用品红溶液检验,故C中装氯化钡溶液,D中装品红溶液,最后用氢氧化钠溶液吸收尾气。
(1)样品中没有Fe(Ⅲ) Fe(Ⅱ)易被氧气氧化为Fe(Ⅲ)
(2)①干燥管 ②dabfce ③76(m2-m3)9(m3-m1) 偏小 (3)① c、a 生成白色沉淀、褪色 ②2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑
考法归纳·应用实践
重要的铁盐——绿矾(FeSO4·7H2O)
1.FeSO4·7H2O的加热分解产物和原理
绿矾(FeSO4·7H2O)FeSO4Fe2O3、SO2、SO3
反应原理:FeSO4·7H2OFeSO4+7H2O,2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑。
2.绿矾(FeSO4·7H2O)的两种制备方法
(1)用废铁屑(含少量SiO2和Fe2O3)制备绿矾
(2)用烧渣(主要含FeO、Fe2O3,还有一定量的SiO2)制备绿矾
试剂X可以是SO2或Fe,其目的是将溶液中的Fe3+还原为Fe2+。
1. [2017浙江4月选考,24,2分]由硫铁矿烧渣(主要成分:Fe3O4、Fe2O3和FeO)得到绿矾(FeSO4·7H2O),再通过绿矾制备铁黄[FeO(OH)]的流程如下:
烧渣溶液绿矾铁黄
已知:FeS2和铁黄均难溶于水。
下列说法不正确的是( )
A.步骤①,最好用硫酸来溶解烧渣
B.步骤②,涉及的离子方程式为FeS2+14Fe3++8H2O15Fe2++2SO42-+16H+
C.步骤③,将溶液加热到有较多固体析出,再用余热将液体蒸干,可得纯净绿矾
D.步骤④,反应条件控制不当会使铁黄中混有Fe(OH)3
命题角度2 以工艺流程为载体考查含铁化合物的分离提纯与性质(热点角度)
2 [2017全国卷Ⅱ,26,14分]水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示:
回答下列问题:
(1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是 ,还可使用 代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是 ,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为 。
(3)加氨水过程中加热的目的是 。沉淀B的主要成分为
、 (写化学式)。
(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后,用KMnO4标准溶液滴定,通过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为MnO4-+H++H2C2O4Mn2++CO2+H2O。实验中称取0.400 g水泥样品,滴定时消耗了0.050 0 mol·L-1的KMnO4溶液36.00 mL,则该水泥样品中钙的质量分数为 。
本题结合实验室测定水泥样品中钙含量的流程考查元素化合物、物质分离提纯等知识的应用。(1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸,加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2+氧化为Fe3+,为了不引入新杂质,还可用H2O2代替硝酸。(2)根据图示流程可知,不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2(或H2SiO3),SiO2(或H2SiO3)能溶于弱酸氢氟酸,生成SiF4和H2O。(3)加入氨水调节溶液的pH=4~5的过程中加热,能防止胶体生成,易沉淀分离,结合流程图可知,沉淀B的主要成分是Al(OH)3和Fe(OH)3。(4)根据反应中转移电子数相等可找出关系式2MnO4-~5H2C2O4,结合消耗KMnO4溶液的浓度和体积可求出n(H2C2O4)=0.0500mol·L-1×36.00×10-3L×52=4.5×10-3mol,则该水泥样品中钙的质量分数为4.5×10-3mol×40g·mol-10.400g×100%=45.0%。
(1)将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+ H2O2 (2)SiO2(或H2SiO3) SiO2+4HFSiF4↑+2H2O(或H2SiO3+4HFSiF4↑+3H2O) (3)防止胶体生成,易沉淀分离 Al(OH)3 Fe(OH)3 (4)45.0%
核心素养对接
核心素养之“证据推理与模型认知”——工艺流程中铁元素的除杂模型
Fe3+在pH=2.8时即可完全水解为Fe(OH)3沉淀,所以从含多种金属离子的溶液中除去Fe3+的常用方法是调节溶液的pH至2.8,再过滤;若为Fe2+,则需先转化为Fe3+,再进一步除去(因为Fe3+比Fe2+更易水解成氢氧化物沉淀)。除去固体物质中的铁元素,一般流程如下:
固体酸溶加入氧化剂调节溶液pH过滤滤液
酸溶的目的是使铁元素转化为离子;加入氧化剂的目的是使可能存在的Fe2+转化为Fe3+,该步骤切忌引入杂质,所以常用的氧化剂为H2O2;调节溶液pH的目的是使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀,使用的试剂不能引入杂质,且可以消耗H+使pH增大,如从Cu2+中除去Fe3+,应该加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3或Cu2(OH)2CO3。
考法2Fe2+、Fe3+的检验
命题角度1 结合实验现象检验溶液中Fe2+、Fe3+(热点角度)
3 对FeCl3溶液与KI溶液的反应进行探究。关于实验的分析和结论不正确的是
实验操作
实验现象
①
取2 mL 0.1 mol/L KI溶液于试管中,滴加0.1 mol/L FeCl3溶液3滴,振荡,充分反应
溶液呈深棕黄色
②
将上述溶液均分后分置于试管1和试管2中
向试管1中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液
溶液显红色
向试管2中加入1 mL CCl4,充分振荡、静置
溶液分层,上层为浅棕黄色,下层为紫色
③
取试管2中的上层液体置于试管3中,滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液
溶液微弱变红
A.FeCl3与KI发生了氧化还原反应,有I2生成
B.试管1中溶液显红色,证明FeCl3与KI的反应具有可逆性
C.试管3中红色比试管1中浅是平衡移动的结果
D.试管2中上层溶液变为浅棕黄色是平衡移动的结果
取2mL0.1mol/LKI溶液于试管中,滴加0.1mol/LFeCl3溶液3滴,振荡,充分反应,溶液呈深棕黄色,是因为Fe3+与I-发生了氧化还原反应,有I2生成,A正确。①中加入的KI溶液过量,向试管1中滴加2滴0.1mol/LKSCN溶液,溶液显红色说明溶液中有Fe3+,证明FeCl3与KI的反应具有可逆性,B正确。向试管2中加入1mLCCl4,充分振荡、静置,溶液分层,上层为浅棕黄色,下层为紫色说明有碘单质被萃取出来,平衡正向移动,导致溶液中Fe3+浓度减小,试管3中红色比试管1中浅,C正确。试管2中上层溶液变为浅棕黄色还可能是少量的碘溶解于水的结果,D错误。
D
考点扫描
1.[2018全国卷Ⅱ,28(2)改编]三草酸合铁酸钾样品完全分解后的残留物中含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是 。
2.[2017全国卷Ⅱ,13A改编]向2mL0.1mol·L-1的FeCl3溶液中加足量铁粉,振荡,加1滴KSCN溶液,现象为黄色逐渐消失,加KSCN溶液颜色不变,则可推出还原性:Fe>Fe2+( )
提示:1.取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红,证明含有Fe2O3 2.√
2. 已知:2Fe3++2I-2Fe2++I2,用KI溶液和FeCl3溶液进行如下实验。下列说法不正确的是( )
A.实验i中现象说明有Fe2+生成
B.实验ii中现象说明反应后溶液中含有Fe3+
C.实验iii水溶液中c(Fe2+)大于实验i中c(Fe2+)
D.实验iii中再加入4滴0.1 mol·L-1 FeCl2溶液,振荡静置,CCl4层颜色无变化
命题角度2 Fe2+、Fe3+的性质探究
4[2016全国卷Ⅱ,28,15分]某班同学用如下实验探究Fe2+、Fe3+的性质。回答下列问题:
(1)分别取一定量氯化铁、氯化亚铁固体,均配制成0.1 mol·L-1的溶液。在FeCl2溶液中需加入少量铁屑,其目的是 。
(2)甲组同学取2 mL FeCl2溶液,加入几滴氯水,再加入1滴KSCN溶液,溶液变红,说明Cl2可将Fe2+氧化。FeCl2溶液与氯水反应的离子方程式为 。
(3)乙组同学认为甲组的实验不够严谨,该组同学在2 mL FeCl2溶液中先加入0.5 mL煤油,再于液面下依次加入几滴氯水和1滴KSCN溶液,溶液变红,煤油的作用是 。
(4)丙组同学取10 mL 0.1 mol·L-1KI溶液,加入6 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液混合。分别取2 mL此溶液于3支试管中进行如下实验:
①第一支试管中加入1 mL CCl4充分振荡、静置,CCl4层显紫色;
②第二支试管中加入1滴K3[Fe(CN)6]溶液,生成蓝色沉淀;
③第三支试管中加入1滴KSCN溶液,溶液变红。
实验②检验的离子是 (填离子符号);实验①和③说明:在I-过量的情况下,溶液中仍含有 (填离子符号),由此可以证明该氧化还原反应为 。
(5)丁组同学向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的FeCl2溶液,溶液变成棕黄色,发生反应的离子方程式为 ;
一段时间后,溶液中有气泡出现,并放热,随后有红褐色沉淀生成。产生气泡的原因是 ;生成沉淀的原因是
(用平衡移动原理解释)。
(1)Fe2+具有还原性,FeCl2溶液易因被氧化而变质,配制FeCl2溶液时加入少量铁屑,目的是防止Fe2+被氧化。(2)溶液变红,说明有Fe3+生成,则FeCl2溶液与氯水反应的离子方程式为2Fe2++Cl22Fe3++2Cl-。(3)甲组实验中,FeCl2易被空气中的O2氧化,会生成FeCl3,因此实验不够严谨。加入煤油,煤油的密度比水小,可以起到隔绝空气的作用,从而排除氧气对实验的影响。(4)实验②中K3[Fe(CN)6]溶液的作用是检验Fe2+。根据实验①,CCl4层显紫色,说明有I2生成,根据实验②,生成蓝色沉淀,说明有Fe2+生成,根据实验③,溶液变红,说明有Fe3+剩余,I-过量的情况下,溶液中仍含有Fe3+,由此说明该反应为可逆反应。(5)溶液变为棕黄色,说明生成了Fe3+,离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O。溶液中有气泡出现,说明H2O2在Fe3+的催化作用下发生了分解反应,生成了O2。随后生成红褐色沉淀,则沉淀为Fe(OH)3,H2O2分解放出热量,Fe3+的水解平衡Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+向正反应方向不断进行,因此得到Fe(OH)3沉淀。
(1)防止Fe2+被氧化 (2)2Fe2++Cl22Fe3++2Cl- (3)隔绝空气(排除氧气对实验的影响) (4)Fe2+ Fe3+ 可逆反应
(5)2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O Fe3+催化H2O2分解产生O2 H2O2分解反应放热,促进Fe3+的水解平衡正向移动
考点2 铜及其化合物
考法3 铜及其化合物的性质
命题角度1 有关铜及其化合物的性质
5 已知酸性条件下有如下反应:2Cu+Cu2++Cu。由于反应温度不同,用氢气还原氧化铜时,可能产生Cu或Cu2O,两者都是红色固体。一位同学对某次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体的成分进行了检验,实验操作和实验现象记录如表所示:
加入试剂及条件
稀硫酸
浓硫酸/加热
稀硝酸
浓硝酸
实验现象
得到红色固体和蓝色溶液
产生无色气体
产生无色气体,得到蓝色溶液
产生红棕色气体,得到绿色溶液
由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物是
A.Cu B.Cu2O
C.一定有Cu,可能有Cu2O D.一定有Cu2O,可能有Cu
根据题中信息,向红色固体中加入稀硫酸得到红色固体和蓝色溶液,其中红色固体为铜,蓝色溶液为硫酸铜溶液,可推出原红色固体里一定有Cu2O;溶液中的红色固体铜,可能是原来固体中含有的,也可能是由Cu2O和稀硫酸反应生成的。
D
命题角度2 结合物质转化流程考查铜及其化合物的性质和制备
6 CuSO4是一种重要的化工原料,有关制备途径及性质如图所示。下列说法错误的是
A.途径①所用混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为3∶2
B.生成等量的硫酸铜,三个途径中参加反应的硫酸的物质的量:①=②<③
C.硫酸铜在1 100 ℃分解的方程式可能为2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑
D.当Y为葡萄糖时,葡萄糖发生还原反应
途径①涉及反应3Cu+8H++2NO3-3Cu2++2NO↑+4H2O,NO3-由硝酸提供,H+由硝酸和硫酸共同提供,所以若硝酸为2mol,则硫酸为(8-2)÷2=3mol,所以混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为3∶2,A正确。途径②涉及反应2Cu+2H2SO4+O22CuSO4+2H2O;途径③涉及反应Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O;若生成1mol硫酸铜,途径①消耗1mol硫酸,途径②消耗1mol硫酸,途经③消耗2mol 硫酸,所以三个途径中,生成等量的硫酸铜,参加反应的硫酸的物质的量:①=②<③,B正确。根据题图可知,CuSO4在1100℃分解产生Cu2O和混合气体X,Cu2O为化合价降低的产物,则混合气体X中一定有化合价升高的产物,则一定含有O2,根据原子守恒、得失电子守恒,CuSO4在1100℃分解的方程式可能为2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑,C正确;硫酸铜与过量的NaOH反应生成氢氧化铜,葡萄糖中含有醛基,能与新制氢氧化铜在NaOH过量的条件下反应生成Cu2O、H2O和葡萄糖酸钠,体现了葡萄糖的还原性,葡萄糖发生氧化反应,D错误。
D
考点扫描
1.[2017全国卷Ⅲ,13B改编]向Cl-浓度较高的溶液中加入Cu和CuSO4,生成CuCl沉淀而除去Cl-的反应为Cu+Cu2++2Cl-2CuCl( )
2.[2017浙江4月选考,27改编]Cu2O与稀硫酸反应的离子方程式是 ;加热条件下氨气被CuO氧化成一种气体单质,写出该反应的化学方程式: 。
3.[2016全国卷Ⅱ,13C改编]加入稀硝酸溶解,过滤、洗涤、干燥,可除去Cu粉中混有的CuO( )
提示: 1.√ 2.Cu2O+2H+Cu2++Cu+H2O 3CuO+2NH33Cu+N2+3H2O 3.✕
3. [2018浙江4月选考,24,2分]某同学通过如下流程制备氧化亚铜:
已知:CuCl难溶于水和稀硫酸;Cu2O+2H+Cu2++Cu+H2O
下列说法不正确的是( )
A.步骤②中的SO2可用Na2SO3替换
B.步骤③中为防止CuCl被氧化,可用SO2水溶液洗涤
C.步骤④发生反应的离子方程式为2CuCl+2OH-Cu2O+2Cl-+H2O
D.如果Cu2O试样中混有CuCl和CuO杂质,用足量稀硫酸与Cu2O试样充分反应,根据反应前、后固体质量可计算试样纯度
考点3 金属材料与金属矿物的开发利用
考法4 金属的冶炼
命题角度 金属材料与金属矿物的开发利用
7 [2019河南郑州二检]实验室利用废弃旧电池的铜帽(主要成分为Zn和Cu)回收Cu并制备ZnO的部分实验过程如图所示:
下列叙述错误的是
A.“溶解”操作中可用酸性条件下不断鼓入O2代替H2O2
B.铜帽溶解后,将溶液加热至沸腾以除去溶液中过量的H2O2
C.与加入的锌粉反应的离子为Cu2+、H+
D.“过滤”操作后,将滤液蒸干、高温灼烧即可制取纯净的ZnO
本题考查利用废弃旧电池的铜帽回收Cu并制备ZnO的实验过程,考查的核心素养是证据推理与模型认知。“溶解”操作的目的是将Cu转化为Cu2+,可用酸性条件下不断鼓入O2代替H2O2,其原理为2Cu+O2+4H+2Cu2++2H2O,A项正确。铜帽溶解后,将溶液加热至沸腾,H2O2发生分解而被除去,B项正确。加入锌粉,Cu2+与H+均可以与Zn发生反应,C项正确。“过滤”操作后,得到的滤液为Na2SO4和ZnSO4的混合溶液,蒸干、高温灼烧得不到纯净的ZnO,D项错误。
D
冲刺双一流
素材5 有关Zn、ZnO和Zn(OH)2、锌盐的性质和应用
1.锌单质
(1)在一定温度下Zn可以与F2、Cl2、Br2、S等单质反应生成相应的化合物,红热的Zn能与水蒸气反应:Zn+H2O(g)ZnO+H2。潮湿的空气中锌表面生成一层白色致密的碱式碳酸锌[Zn2(OH)2CO3]薄膜,它可阻止锌被继续氧化。
(2)Zn的性质类似于金属铝,可与非氧化性酸反应制备H2;也可与强碱反应:Zn+2NaOHNa2ZnO2+H2↑。
2.ZnO和Zn(OH)2
(1)氧化锌(ZnO),俗称锌白,难溶于水,是两性氧化物,可溶于酸和强碱,如ZnO+2HClZnCl2+H2O、ZnO+2NaOHNa2ZnO2+H2O。
(2)Zn(OH)2是两性氢氧化物,既可溶于酸,又可溶于碱:Zn(OH)2+2H+Zn2++2H2O、Zn(OH)2+2NaOHNa2ZnO2+2H2O。Zn(OH)2的化学性质类似于Al(OH)3,但Al(OH)3不溶于氨水,而Zn(OH)2可溶于氨水:Zn(OH)2+4NH3·H2O[Zn(NH3)4]2++
2OH-+4H2O。Zn(OH)2不稳定,受热易分解:Zn(OH)2ZnO+H2O。
3.锌盐
(1)Zn2+与氨水的反应:Zn2++2NH3·H2O(少量)Zn(OH)2↓+2NH4+;Zn2++4NH3·H2O(过量)[Zn(NH3)4]2++4H2O。
(2)向含Zn2+的盐溶液中加入Na2CO3溶液,可得到碱式碳酸锌白色沉淀:2Zn2++2CO32-+H2OZn2(OH)2CO3↓+CO2↑。
考点扫描
1.[2018全国卷Ⅰ,26(2)改编]将过量锌粒和氯化铬固体置于锥形瓶中,加入少量蒸馏水,再加入盐酸,溶液由绿色逐渐变为亮蓝色,该反应的离子方程式为 。
2.[2018全国卷Ⅱ,26改编]闪锌矿(主要成分为ZnS,含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)焙烧过程中主要反应的化学方程式为 。溶液中的Cd2+可用锌粉除去,其反应的离子方程式为 。
3.[2016全国卷Ⅲ,11改编]锌-空气燃料电池总反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn(OH)42-,放电时,负极反应为Zn+4OH--2e-Zn(OH)42-( )
4.[2015新课标全国卷Ⅱ,26(1)改编]酸性锌锰干电池外壳为金属锌,中间是碳棒,其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物,放电时产生MnOOH,电池反应的离子方程式为 。
提示:1.Zn+2Cr3+Zn2++2Cr2+ 2.ZnS+32O2ZnO+SO2 Cd2++ZnCd+Zn2+ 3.√ 4.Zn+2MnO2+2H+Zn2++2MnOOH
4. 锌钡白是BaSO4和ZnS的混合物,ZnS难溶于水。某化工厂以重晶石为原料制备锌钡白,生产过程中会产生大量的废气(主要成分为CO2、CO及少量SO2和硫蒸气等),生产工艺流程如图所示:
下列叙述错误的是( )
A.重晶石与钡餐的化学成分相同
B.Y气体的循环使用可以防止污染空气并提高原料利用率
C.Z(aq)中的阴离子是OH-和CO32-
D.高温煅烧过程中焦炭的作用是为反应提供热量和作还原剂
素材6 有关Ag、Ag2O与AgOH、AgNO3与[Ag(NH3)2]OH的性质和应用
1.银
(1)常温下在空气中能稳定存在,但在纯氧中高温加热可生成Ag2O,4Ag+O22Ag2O;常温下,银制品久置变黑原理:4Ag+2H2S+O22Ag2S+2H2O。
(2)与氧化性酸反应:2Ag+2H2SO4(浓)Ag2SO4+SO2↑+2H2O、Ag+2HNO3(浓)AgNO3+NO2↑+H2O、3Ag+4HNO3(稀)3AgNO3+NO↑+2H2O。
2.Ag2O与AgOH
(1)氧化银:棕黑色粉末,不稳定, 2Ag2O4Ag+O2↑;易溶于稀硝酸和氨水等,Ag2O+4NH3·H2O2[Ag(NH3)2]OH+3H2O;在空气中能吸收CO2;Ag2O能和某些有毒气体反应,因此常用于防毒面具中,2Ag2O+2Cl24AgCl+O2,Ag2O+CO2Ag+CO2;可溶解在H2O2溶液中,Ag2O+H2O22Ag+O2↑+H2O。
(2)AgOH常温下极不稳定,2AgOHAg2O(棕黑色)+H2O;溶于氨水,AgOH+2NH3·H2O[Ag(NH3)2]OH+2H2O。
3.AgNO3与[Ag(NH3)2]OH
(1)AgNO3:用于卤素离子、S2-、CO32-等的检验,生成沉淀;不稳定,见光易分解,2AgNO32Ag+O2↑+2NO2↑。
(2)AgNO3能与氨水反应:2AgNO3+2NH3·H2O(少量)Ag2O↓+H2O+2NH4NO3,AgNO3+3NH3·H2O(过量)[Ag(NH3)2]OH+NH4NO3+2H2O。
(3)肼(N2H4)和亚磷酸等都可以将AgNO3还原成金属银:N2H4+4AgNO34Ag↓+N2↑+4HNO3、H3PO3+2AgNO3+H2O2Ag↓+H3PO4+2HNO3。
(4)[Ag(NH3)2]OH可与含醛基的物质在一定条件下发生银镜反应。
考点扫描
1.[2018北京,9C改编]将Na2S溶液滴入AgCl浊液中,沉淀由白色逐渐变为黑色与氧化还原反应有关( )
2.[2017江苏,13C改编]向20%蔗糖溶液中加入少量稀H2SO4,加热;再加入银氨溶液,未出现银镜,说明蔗糖未水解( )
3.[2017江苏,19改编]AgCl溶于氨水生成络合物的离子方程式为 ;NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2,该反应的化学方程式为 。
4.[2016全国卷Ⅱ,11B改编]Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。正极反应式为Ag++e-Ag( )
提示:1.✕ 2.✕ 3.AgCl+2NH3·H2OAg(NH3)2++Cl-+2H2O 4Ag+4NaClO+2H2O4AgCl+4NaOH+O2↑
4.✕
5. [2017江苏,19,15分]某科研小组采用如下方案回收一种光盘金属层中的少量Ag(金属层中其他金属含量过低,对实验的影响可忽略)。
已知:①NaClO溶液在受热或酸性条件下易分解,如:
3NaClO 2NaCl+NaClO3
②AgCl可溶于氨水:AgCl+2NH3·H2O Ag(NH3)2++Cl-+2H2O
③常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3)2+:4Ag(NH3)2++N2H4·H2O 4Ag↓+N2↑+4NH4++4NH3↑+H2O
(1)“氧化”阶段需在80 ℃条件下进行,适宜的加热方式为 。
(2)NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2,该反应的化学方程式为 。HNO3也能氧化Ag,从反应产物的角度分析,以HNO3代替NaClO的缺点是 。
(3)为提高Ag的回收率,需对“过滤Ⅱ”的滤渣进行洗涤,并 。
(4)若省略“过滤Ⅰ”,直接向冷却后的反应容器中滴加10% 氨水,则需要增加氨水的用量,除因过量NaClO与NH3·H2O反应外(该条件下NaClO3与NH3·H2O不反应),还因为 。
(5)请设计从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag的实验方案: (实验中须使用的试剂有2 mol·L-1水合肼溶液,1 mol·L-1 H2SO4溶液)。
素材7 迁移应用铁元素的性质突破钴、镍元素的性质
铁、钴、镍同属于元素周期表中的Ⅷ族,性质相近,通称为铁系元素,主要化合价为+2和+3。
铁、钴、镍及其化合物的性质比较
化合价
+2
+3
单质
常温下,钴、镍在空气中能稳定存在,加热条件下可生成CoO、NiO
氧化物
CoO溶于酸和强碱溶液,不溶于水、乙醇、氨水,在空气中焙烧至600~900 ℃时转变成四氧化三钴;NiO溶于酸和氨水,不溶于水
Fe2O3只与酸发生复分解反应;Co2O3、Ni2O3在酸性溶液中显示强氧化性:Co2O3+6HCl2CoCl2+Cl2↑+3H2O,Ni2O3+6HCl2NiCl2+Cl2↑+3H2O
氢氧
化物
Fe(OH)2在空气中极易被氧化为Fe(OH)3;Co(OH)2在空气中很容易被氧化为棕褐色的Co(OH)3;Ni(OH)2在空气中较稳定,可用氧化性较强的物质在碱性介质中将其氧化
Fe(OH)3只与酸发生酸碱中和反应;Co(OH)3、Ni(OH)3在酸性溶液中有强氧化性,易被还原:
2Co(OH)3+6H++2Cl-2Co2++Cl2↑+6H2O,
2Ni(OH)3+6H++2Cl-2Ni2++Cl2↑+6H2O。
在H2SO3溶液中被还原,2Co(OH)3+SO32-+4H+2Co2++SO42-+5H2O,2Ni(OH)3+SO32-+4H+2Ni2++SO42-+5H2O
考点扫描
1.[2019全国卷Ⅲ,26(4)改编]向含有Zn2+和Ni2+的溶液中加入Na2S,以除去Zn2+和Ni2+,生成的沉淀为 。
2.[2015山东,29(2)改编]Co(OH)3溶解还原(还原剂为Na2SO3,酸性条件)反应的离子方程式为 。
3.[2014全国卷Ⅱ,28(6)改编]以CoCl2·6H2O、NH4Cl、H2O2、浓氨水为原料制备[Co(NH3)6]Cl3的化学方程式为 。
4.[2014浙江,11改编]已知6NiOOH+NH3+H2O+OH-6Ni(OH)2+NO2-。镍氢电池充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH(M表示储氢金属或合金),则该电池可用氨水等作电解质溶液( )
提示:1.ZnS和NiS 2.2Co(OH)3+SO32-+4H+2Co2++SO42-+5H2O[或Co(OH)3+3H+Co3++3H2O,2Co3++SO32-+H2O2Co2++SO42-+2H+] 3.2CoCl2·6H2O+2NH4Cl+10NH3+H2O22[Co(NH3)6]Cl3+14H2O 4.✕
6. [2019四川成都七中测试]镍废料中主要含有Ni,还含有少量的Cu、Fe等。现从中制取Ni2O3,其可用于制造人造卫星、宇宙飞船的高能电源,也可用于制造镉镍碱性电池。以镍废料为原料制备Ni2O3的工艺流程如图所示:
已知常温下0.010 mol/L的金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围如表所示:
Fe3+
Cu2+
Ni2+
开始沉淀pH
3.0
5.0
7.4
完全沉淀pH
4.0
6.5
9.0
回答下列问题:
(1)“酸浸”时参与反应的H2SO4与HNO3的物质的量之比保持为3∶2,此时镍单质被氧化为NiSO4,发生反应的化学方程式为 。
(2)加入碳酸钙调pH的目的是 ,“沉渣2”的主要成分是 (填化学式),必须先过滤“沉渣1”后再进行“除Cu”的原因是 。
(3)用离子方程式解释加入NH4F“除Ca”的过程: 。
(4)“操作B”是 ,煅烧时产生的两种气体是 。
(5)向NiO中加入盐酸,待NiO完全溶解后,需要加入NaOH溶液和NaClO溶液,加入NaOH溶液和NaClO溶液发生反应的离子方程式为 。
(6)根据题中表格数据,计算当0.010 mol/L NiSO4溶液中Ni2+完全沉淀时,c(Ni2+)= mol/L。
素材8 钒、铬、锰、钛及其化合物
1.钒及其化合物的性质
(1)V:常温下不活泼,不能与非氧化性酸及碱作用,但能溶于氢氟酸、硝酸和王水。
(2)V2O5:两性氧化物,但以酸性为主,V2O5+6NaOH2Na3VO4+3H2O;1 750 ℃发生分解反应,2V2O52V2O4+O2↑;微溶于水,易形成稳定的胶体;有较强的氧化性,V2O5+6HCl(浓)2VOCl2+Cl2↑+3H2O。
(3)VO2+、VO2+:在酸性介质中,VO2+具有强氧化性,VO2++Fe2++2H+VO2++Fe3++H2O,2VO2++H2C2O4+2H+2VO2++2CO2↑+2H2O。
(4)偏钒酸盐(NaVO3、NH4VO3)、正钒酸盐[Na3VO4、(NH4)3VO4],NH4VO3在加热条件下不稳定,2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O。
2.铬及其化合物的性质
(1)Cr:加热时,与O2反应生成Cr2O3。
(2)Cr2O3:两性氧化物,Cr2O3+6H+2Cr3++3H2O;Cr2O3+2OH-2CrO2-+H2O。
(3)Cr(OH)3:两性氢氧化物,Cr(OH)3+3H+Cr3++3H2O;Cr(OH)3+OH-CrO2-+2H2O。
(4)CrO42-与Cr2O72-:①可相互转化,2CrO42-(黄色)+2H+Cr2O72-(橙色)+H2O。②强氧化性,如5H++Cr2O72-+3HSO3-2Cr3++3SO42-+4H2O,2Na2CrO4+16HCl2CrCl3+4NaCl+3Cl2↑+8H2O。
3.锰及其化合物的性质
(1)Mn:高温时,与O2反应,生成Mn3O4。Mn的活泼性在Al与Zn之间,与非氧化性酸反应生成H2:Mn+2H+Mn2++H2↑。
(2)MnO2:在酸性条件下具有较强氧化性,如MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O。
(3)KMnO4与K2MnO4:①可相互转化,2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑,2K2MnO4+2H2O2KMnO4+2KOH+H2↑。②KMnO4具有强氧化性,如2KMnO4+16HCl(浓)2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O,2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O,酸性条件下还能与I-、SO2、SO32-、Fe2+等反应。
4.钛及其化合物的性质
(1)Ti:常温时与酸不反应,但可与HF反应(Ti+6HFH2TiF6+2H2↑),也可与热的浓盐酸反应[2Ti+6HCl(浓)2TiCl3+3H2↑]。
(2)TiO2:不溶于水和稀酸,可溶解在HF溶液及热的浓硫酸中;可与Cl2反应,TiO2+2Cl2TiCl4+O2;与碱溶液缓慢反应,TiO2+2NaOHNa2TiO3+H2O;在高温下与Cl2、C发生反应,TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO。
(3)TiCl4:暴露在空气中会冒出白烟,TiCl4+3H2OH2TiO3↓+4HCl;Mg作还原剂时可制备金属钛,2Mg+TiCl42MgCl2+Ti。
考点扫描
1.[2019全国卷Ⅲ,26(1)改编]用硫酸“溶浸”二氧化锰、硫化锰过程中发生反应的化学方程式为 。
2.[2017全国卷Ⅰ,27(2)改编]钛铁矿(主要成分为FeTiO3)用盐酸“酸浸”后,钛主要以TiOCl42-的形式存在,写出相应反应的离子方程式: 。
3.[2017全国卷Ⅲ,27(1)改编]FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2,配平后,FeO·Cr2O3与NaNO3的化学计量数之比为 。
4.[2016全国卷Ⅲ,28(1)改编]“酸浸”时V2O5转化为VO2+,反应的离子方程式为 ;偏钒酸铵(NH4VO3)煅烧生成V2O5的化学方程式为 。
5.[2016全国卷Ⅰ,27改编]CrO42-和Cr2O72-在溶液中可以相互转化,用离子方程式表示其转化关系: ,
+6价铬的化合物毒性较大,常用NaHSO3将废液中的Cr2O72-还原成Cr3+,该反应的离子方程式为 。
6.[2016全国卷Ⅰ,36改编]软锰矿(主要成分为MnO2)与氢氧化钾和富氧空气在加热条件下制备锰酸钾的化学方程式为 。在K2MnO4溶液中通入CO2气体,使体系呈中性或弱酸性,K2MnO4发生歧化反应,该反应的化学方程式为 。
提示:1.MnO2+MnS+2H2SO42MnSO4+S+2H2O 2.FeTiO3+4H++4Cl-Fe2++TiOCl42-+2H2O 3.2∶7 4.V2O5+2H+2VO2++H2O 2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O↑ 5.2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O Cr2O72-+3HSO3-+5H+2Cr3++3SO42-+4H2O 6.2MnO2+4KOH+O22K2MnO4+2H2O 3K2MnO4+4CO2+2H2O2KMnO4+MnO2↓+4KHCO3
7. 金属钒被誉为“合金的维生素”,常用于制催化剂和新型电池。钒(V)在溶液中主要以VO43-(无色)、VO2+(黄色)、VO2+(蓝色)、V3+(绿色)、V2+(紫色)等形式存在。回答下列问题:
(1)已知:4Al(s)+3O2(g)2Al2O3(s) ΔH1
4V(s)+5O2(g)2V2O5(s) ΔH2
写出V2O5与Al反应制备金属钒的热化学方程式: 。(反应热用ΔH1、ΔH2表示)
(2)V2O5具有较强的氧化性,溶于浓盐酸可以得到蓝色溶液(含有VO2+),写出V2O5与浓盐酸反应的化学方程式:
。
(3)VO43-和V2O74-在pH≥13的溶液中可相互转化。室温下,1.0 mol·L-1的Na3VO4溶液中c(VO43-)随c(H+)的变化如图1所示。溶液中c(H+)增大,VO43-的平衡转化率 (填“增大”“减小”或“不变”),该转化反应的平衡常数K= 。
图1 图2
(4)全钒液流电池是一种优良的新型蓄电储能设备,其工作原理如图2所示:
①放电过程中,A电极的反应式为 。
②充电过程中,B电极附近溶液颜色变化为 。
③若该电池放电时的电流I=2.0 A,电池工作10 min,电解精炼铜得到铜m g,则电流利用率为 。(写出表达式,不必计算出结果。已知:电池输出电荷量Q=It;电解时Q=znF,z为1分子物质得失电子数,n为物质的量,法拉第常数F=96 500 C·mol-1,电流利用效率=负载利用电荷量电池输出电荷量×100%)
考点1 铁及其重要化合物
1.[2019全国卷Ι,27,15分]硫酸铁铵 [NH4 Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源,变废为宝,在实验室中探究采用废
铁屑来制备硫酸铁铵,具体流程如下:
回答下列问题:
(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,方法是 。
(2)步骤②需要加热的目的是 ,温度保持80~95 ℃,采用的合适加热方式是 。铁屑中含有少量硫化物,反应产生的气体需要净化处理,合适的装置为 (填标号)。
A B C D
(3)步骤③中选用足量的H2O2,理由是 。分批加入H2O2,同时为了 ,溶液要保持pH小于0.5。
(4)步骤⑤的具体实验操作有 ,经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。
(5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数,将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水,失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为 。
以铁为主要原料制备硫酸铁铵的工艺流程为载体,考查铁、亚铁离子、铁离子的主要性质和制备过程中,涉及的皂化反应、硫化氢的吸收、温度对反应速率的影响、化学式的计算等基础必备知识,体现高考试题设计重视基础性、综合性和应用性的命题新动向。
解题模型:链接考法1 命题角度2
2.[2018北京,28,16分]实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。
资料:K2FeO4为紫色固体,微溶于KOH溶液;具有强氧化性,在酸性或中性溶液中快速产生O2,在碱性溶液中较稳定。
(1)制备K2FeO4(夹持装置略)
①A为氯气发生装置。A中反应方程式是 (锰被还原为Mn2+)。
②将除杂装置B补充完整并标明所用试剂。
③C中得到紫色固体和溶液。C中Cl2发生的反应有3Cl2+2Fe(OH)3+10KOH2K2FeO4+6KCl+8H2O,另外还有 。
(2)探究K2FeO4的性质
①取C中紫色溶液,加入稀硫酸,产生黄绿色气体,得溶液a,经检验气体中含有Cl2。为证明是否K2FeO4氧化了Cl-而产生Cl2,设计以下方案:
方案Ⅰ
取少量a,滴加KSCN溶液至过量,溶液呈红色
方案Ⅱ
用KOH溶液充分洗涤C中所得固体,再用KOH溶液将K2FeO4溶出,得到紫色溶液b。取少量b,滴加盐酸,有Cl2产生
i.由方案Ⅰ中溶液变红可知a中含有 离子,但该离子的产生不能判断一定是K2FeO4将Cl-氧化,还可能由 产生(用方程式表示)。
ii.方案Ⅱ可证明K2FeO4氧化了Cl-。用KOH溶液洗涤的目的是 。
②根据K2FeO4的制备实验得出:氧化性Cl2 FeO42-(填“>”或“<”),而方案Ⅱ实验表明,Cl2和FeO42-的氧化性强弱关系相反,原因是 。
③资料表明,酸性溶液中的氧化性FeO42->MnO4-,验证实验如下:将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中,振荡后溶液呈浅紫色。该现象能否证明氧化性FeO42->MnO4-。若能,请说明理由;若不能,进一步设计实验方案。
理由或方案: 。
把元素化合物的知识与实验探究整合在一起设计试题,引导中学教学重视提升考生化学学科核心素养,是高考命题的新动向。本题提供高铁酸钾的部分性质,考查考生现场学习并获取有用信息,结合所学知识解决实际问题的能力,也很好地考查了考生思辨的能力:在酸性环境中,高铁酸根离子的氧化性强于氯气,在碱性环境中,氯气的氧化性强于高铁酸根离子。
解题模型:链接考法1 命题角度1
考点2 铜及其化合物
3.[2017江苏,18,12分]碱式氯化铜是重要的无机杀菌剂。
(1)碱式氯化铜有多种制备方法。
①方法1:45~50 ℃时,向CuCl悬浊液中持续通入空气得到Cu2(OH)2 Cl2·3H2O,该反应的化学方程式为 。
②方法2: 先制得CuCl2,再与石灰乳反应生成碱式氯化铜。Cu与稀盐酸在持续通入空气的条件下反应生成CuCl2,Fe3+对该反应有催化作用,其催化原理如图所示。M'的化学式为 。
(2)碱式氯化铜有多种组成,可表示为Cua(OH)bClc·xH2O。为测定某碱式氯化铜的组成, 进行下列实验:①称取样品1.116 0 g,用少量稀HNO3溶解后配成100.00 mL 溶液A;②取25.00 mL 溶液A,加入足量AgNO3溶液,得AgCl 0.172 2 g;③另取25. 00 mL 溶液A,调节pH 4~5,用浓度为0.080 00 mol·L-1的EDTA(Na2H2Y·2H2O)标准溶液滴定Cu2+(离子方程式为Cu2++H2Y2-CuY2-+2H+),滴定至终点,消耗标准溶液30.00 mL。通过计算确定该样品的化学式(写出计算过程)。
本题考查考生三方面能力:一是利用所学氧化还原知识,理解氯化亚铜悬浊液被氧气氧化生成碱式氯化铜的过程,并能快速准确写出该反应方程式的能力;二是阅读理解能力,先利用铁离子具有较强氧化性溶解不活泼金属铜,再利用氧气氧化亚铁离子生成铁离子,这两个反应循环就制得氯化铜,最后将氯化铜与石灰乳反应制得碱式氯化铜;三是化学计算能力。通过化学实验结合化学计算确定未知的化学式,是考生的基本能力之一。
解题模型:链接考法3 命题角度1
4.[2017浙江下半年选考,28,4分]为了探究铁、铜及其化合物的性质,某同学设计并进行了下列实验。
已知:3Fe(s)+4H2O(g) Fe3O4(s)+4H2(g)
请回答:
(1)虚线框处宜选择的装置是 (填“甲”或“乙”);实验时应先将螺旋状铜丝加热,变黑后再趁热迅速伸入所制得的纯净氢气中,观察到的实验现象是 。
(2)实验后,取硬质玻管中适量的固体,用一定浓度的盐酸溶解,滴加KSCN溶液,没有出现红色,说明该固体中没有+3价的铁。判断结论是否正确并说明理由 。
试题创设崭新情境考查铁与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气、氢气还原灼热氧化铜、铁离子的检验等必备基础知识。
解题模型:链接考法1 命题角度1;考法3命题角度1
考点3 金属材料与金属矿物的开发利用
5.[2018全国卷Ⅱ,26,14分]我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。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:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子
Fe3+
Fe2+
Zn2+
Cd2+
开始沉淀的pH
1.5
6.3
6.2
7.4
沉淀完全的pH
2.8
8.3
8.2
9.4
回答下列问题:
(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为 。
(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有 ;氧化除杂工序中ZnO的作用是 ,若不通入氧气,其后果是 。
(3)溶液中的Cd2+可用锌粉除去,还原除杂工序中反应的离子方程式为 。
(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时,阴极的电极反应式为 ;沉积锌后的电解液可返回 工序继续使用。
硫化锌的焙烧类似于黄铁矿(FeS2)焙烧,生成金属氧化物和二氧化硫;电解硫酸锌溶液制备单质锌类似于电解硫酸铜溶液,阴极生成金属单质,阳极生成氧气和硫酸。本题考查考生将所学知识迁移到新情境中解决实际问题的能力。
解题模型:链接素材5
考点1 铁及其重要化合物
考法1 “铁三角”及其应用
命题角度1 以实验为载体考查含铁化合物的性质与制备(热点角度)
1 [2017全国卷Ⅲ,26,14分]绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁,在工农业生产中具有重要的用途。某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。回答下列问题:
(1)在试管中加入少量绿矾样品,加水溶解,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化。再向试管中通入空气,溶液逐渐变红。由此可知: 、 。
(2)为测定绿矾中结晶水含量,将石英玻璃管(带两端开关K1和K2)(设为装置A)称重,记为m1 g。将样品装入石英玻璃管中,再次将装置A称重,记为m2 g。按如图连接好装置进行实验。
①仪器B的名称是 。
②将下列实验操作步骤正确排序 (填标号);重复上述操作步骤,直至A恒重,记为m3 g。
a.点燃酒精灯,加热 b.熄灭酒精灯 c.关闭K1和K2 d.打开K1和K2,缓缓通入N2 e.称量A f.冷却到室温
③根据实验记录,计算绿矾化学式中结晶水数目x= (列式表示)。若实验时按a、d次序操作,则使x (填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(3)为探究硫酸亚铁的分解产物,将(2)中已恒重的装置A接入下图所示的装置中,打开K1和K2,缓缓通入N2,加热。实验后反应管中残留固体为红色粉末。
①C、D中的溶液依次为 (填标号)。C、D中有气泡冒出,并可观察到的现象分别为 。
a.品红 b.NaOH c.BaCl2 d.Ba(NO3)2 e.浓H2SO4
②写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式 。
(1)样品溶于水后,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化,说明样品中不含三价铁;再向试管中通入空气,溶液逐渐变红,则说明空气中的O2氧化了亚铁离子,即亚铁离子易被空气中的氧气氧化。(2)测定硫酸亚铁晶体中结晶水含量,关键是要排尽装置内的空气,避免O2氧化亚铁离子,导致结晶水含量测量不准确。①仪器B为干燥管;②测定结晶水的过程:先打开K1和K2,缓缓通入氮气排尽装置中的空气,再点燃酒精灯加热,一段时间后熄灭酒精灯,冷却至室温,关闭K1和K2,称量A。故正确的操作步骤为dabfce。③A的质量为m1g,样品和A的总质量为m2g,硫酸亚铁和A的总质量为m3g。则m(FeSO4)=(m3-m1)g,m(H2O)=(m2-m3)g,有18x152=m2-m3m3-m1,解得x=152(m2-m3)18(m3-m1)=76(m2-m3)9(m3-m1)。若先加热,后通入氮气,石英玻璃管内空气中的O2会氧化绿矾,使m3增大,所以76(m2-m3)9(m3-m1)会偏小。(3)硫酸亚铁分解实验中,生成了红色粉末(氧化铁),说明必有元素化合价降低,暗示有SO2生成。根据得失电子守恒和原子守恒可写出反应的化学方程式2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑。SO3极易溶于水且能与水反应生成H2SO4,故应先检验SO3。SO3可用BaCl2溶液检验,但不能用硝酸钡溶液检验,因为硝酸钡溶液吸收SO3或SO2时都会生成硫酸钡沉淀;SO2可用品红溶液检验,故C中装氯化钡溶液,D中装品红溶液,最后用氢氧化钠溶液吸收尾气。
(1)样品中没有Fe(Ⅲ) Fe(Ⅱ)易被氧气氧化为Fe(Ⅲ)
(2)①干燥管 ②dabfce ③76(m2-m3)9(m3-m1) 偏小 (3)① c、a 生成白色沉淀、褪色 ②2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑
考法归纳·应用实践
重要的铁盐——绿矾(FeSO4·7H2O)
1.FeSO4·7H2O的加热分解产物和原理
绿矾(FeSO4·7H2O)FeSO4Fe2O3、SO2、SO3
反应原理:FeSO4·7H2OFeSO4+7H2O,2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑。
2.绿矾(FeSO4·7H2O)的两种制备方法
(1)用废铁屑(含少量SiO2和Fe2O3)制备绿矾
(2)用烧渣(主要含FeO、Fe2O3,还有一定量的SiO2)制备绿矾
试剂X可以是SO2或Fe,其目的是将溶液中的Fe3+还原为Fe2+。
1. [2017浙江4月选考,24,2分]由硫铁矿烧渣(主要成分:Fe3O4、Fe2O3和FeO)得到绿矾(FeSO4·7H2O),再通过绿矾制备铁黄[FeO(OH)]的流程如下:
烧渣溶液绿矾铁黄
已知:FeS2和铁黄均难溶于水。
下列说法不正确的是( )
A.步骤①,最好用硫酸来溶解烧渣
B.步骤②,涉及的离子方程式为FeS2+14Fe3++8H2O15Fe2++2SO42-+16H+
C.步骤③,将溶液加热到有较多固体析出,再用余热将液体蒸干,可得纯净绿矾
D.步骤④,反应条件控制不当会使铁黄中混有Fe(OH)3
命题角度2 以工艺流程为载体考查含铁化合物的分离提纯与性质(热点角度)
2 [2017全国卷Ⅱ,26,14分]水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示:
回答下列问题:
(1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是 ,还可使用 代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是 ,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为 。
(3)加氨水过程中加热的目的是 。沉淀B的主要成分为
、 (写化学式)。
(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后,用KMnO4标准溶液滴定,通过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为MnO4-+H++H2C2O4Mn2++CO2+H2O。实验中称取0.400 g水泥样品,滴定时消耗了0.050 0 mol·L-1的KMnO4溶液36.00 mL,则该水泥样品中钙的质量分数为 。
本题结合实验室测定水泥样品中钙含量的流程考查元素化合物、物质分离提纯等知识的应用。(1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸,加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2+氧化为Fe3+,为了不引入新杂质,还可用H2O2代替硝酸。(2)根据图示流程可知,不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2(或H2SiO3),SiO2(或H2SiO3)能溶于弱酸氢氟酸,生成SiF4和H2O。(3)加入氨水调节溶液的pH=4~5的过程中加热,能防止胶体生成,易沉淀分离,结合流程图可知,沉淀B的主要成分是Al(OH)3和Fe(OH)3。(4)根据反应中转移电子数相等可找出关系式2MnO4-~5H2C2O4,结合消耗KMnO4溶液的浓度和体积可求出n(H2C2O4)=0.0500mol·L-1×36.00×10-3L×52=4.5×10-3mol,则该水泥样品中钙的质量分数为4.5×10-3mol×40g·mol-10.400g×100%=45.0%。
(1)将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+ H2O2 (2)SiO2(或H2SiO3) SiO2+4HFSiF4↑+2H2O(或H2SiO3+4HFSiF4↑+3H2O) (3)防止胶体生成,易沉淀分离 Al(OH)3 Fe(OH)3 (4)45.0%
核心素养对接
核心素养之“证据推理与模型认知”——工艺流程中铁元素的除杂模型
Fe3+在pH=2.8时即可完全水解为Fe(OH)3沉淀,所以从含多种金属离子的溶液中除去Fe3+的常用方法是调节溶液的pH至2.8,再过滤;若为Fe2+,则需先转化为Fe3+,再进一步除去(因为Fe3+比Fe2+更易水解成氢氧化物沉淀)。除去固体物质中的铁元素,一般流程如下:
固体酸溶加入氧化剂调节溶液pH过滤滤液
酸溶的目的是使铁元素转化为离子;加入氧化剂的目的是使可能存在的Fe2+转化为Fe3+,该步骤切忌引入杂质,所以常用的氧化剂为H2O2;调节溶液pH的目的是使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀,使用的试剂不能引入杂质,且可以消耗H+使pH增大,如从Cu2+中除去Fe3+,应该加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3或Cu2(OH)2CO3。
考法2Fe2+、Fe3+的检验
命题角度1 结合实验现象检验溶液中Fe2+、Fe3+(热点角度)
3 对FeCl3溶液与KI溶液的反应进行探究。关于实验的分析和结论不正确的是
实验操作
实验现象
①
取2 mL 0.1 mol/L KI溶液于试管中,滴加0.1 mol/L FeCl3溶液3滴,振荡,充分反应
溶液呈深棕黄色
②
将上述溶液均分后分置于试管1和试管2中
向试管1中滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液
溶液显红色
向试管2中加入1 mL CCl4,充分振荡、静置
溶液分层,上层为浅棕黄色,下层为紫色
③
取试管2中的上层液体置于试管3中,滴加2滴0.1 mol/L KSCN溶液
溶液微弱变红
A.FeCl3与KI发生了氧化还原反应,有I2生成
B.试管1中溶液显红色,证明FeCl3与KI的反应具有可逆性
C.试管3中红色比试管1中浅是平衡移动的结果
D.试管2中上层溶液变为浅棕黄色是平衡移动的结果
取2mL0.1mol/LKI溶液于试管中,滴加0.1mol/LFeCl3溶液3滴,振荡,充分反应,溶液呈深棕黄色,是因为Fe3+与I-发生了氧化还原反应,有I2生成,A正确。①中加入的KI溶液过量,向试管1中滴加2滴0.1mol/LKSCN溶液,溶液显红色说明溶液中有Fe3+,证明FeCl3与KI的反应具有可逆性,B正确。向试管2中加入1mLCCl4,充分振荡、静置,溶液分层,上层为浅棕黄色,下层为紫色说明有碘单质被萃取出来,平衡正向移动,导致溶液中Fe3+浓度减小,试管3中红色比试管1中浅,C正确。试管2中上层溶液变为浅棕黄色还可能是少量的碘溶解于水的结果,D错误。
D
考点扫描
1.[2018全国卷Ⅱ,28(2)改编]三草酸合铁酸钾样品完全分解后的残留物中含有FeO和Fe2O3,检验Fe2O3存在的方法是 。
2.[2017全国卷Ⅱ,13A改编]向2mL0.1mol·L-1的FeCl3溶液中加足量铁粉,振荡,加1滴KSCN溶液,现象为黄色逐渐消失,加KSCN溶液颜色不变,则可推出还原性:Fe>Fe2+( )
提示:1.取少许固体粉末于试管中,加稀硫酸溶解,滴入1~2滴KSCN溶液,溶液变红,证明含有Fe2O3 2.√
2. 已知:2Fe3++2I-2Fe2++I2,用KI溶液和FeCl3溶液进行如下实验。下列说法不正确的是( )
A.实验i中现象说明有Fe2+生成
B.实验ii中现象说明反应后溶液中含有Fe3+
C.实验iii水溶液中c(Fe2+)大于实验i中c(Fe2+)
D.实验iii中再加入4滴0.1 mol·L-1 FeCl2溶液,振荡静置,CCl4层颜色无变化
命题角度2 Fe2+、Fe3+的性质探究
4[2016全国卷Ⅱ,28,15分]某班同学用如下实验探究Fe2+、Fe3+的性质。回答下列问题:
(1)分别取一定量氯化铁、氯化亚铁固体,均配制成0.1 mol·L-1的溶液。在FeCl2溶液中需加入少量铁屑,其目的是 。
(2)甲组同学取2 mL FeCl2溶液,加入几滴氯水,再加入1滴KSCN溶液,溶液变红,说明Cl2可将Fe2+氧化。FeCl2溶液与氯水反应的离子方程式为 。
(3)乙组同学认为甲组的实验不够严谨,该组同学在2 mL FeCl2溶液中先加入0.5 mL煤油,再于液面下依次加入几滴氯水和1滴KSCN溶液,溶液变红,煤油的作用是 。
(4)丙组同学取10 mL 0.1 mol·L-1KI溶液,加入6 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液混合。分别取2 mL此溶液于3支试管中进行如下实验:
①第一支试管中加入1 mL CCl4充分振荡、静置,CCl4层显紫色;
②第二支试管中加入1滴K3[Fe(CN)6]溶液,生成蓝色沉淀;
③第三支试管中加入1滴KSCN溶液,溶液变红。
实验②检验的离子是 (填离子符号);实验①和③说明:在I-过量的情况下,溶液中仍含有 (填离子符号),由此可以证明该氧化还原反应为 。
(5)丁组同学向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的FeCl2溶液,溶液变成棕黄色,发生反应的离子方程式为 ;
一段时间后,溶液中有气泡出现,并放热,随后有红褐色沉淀生成。产生气泡的原因是 ;生成沉淀的原因是
(用平衡移动原理解释)。
(1)Fe2+具有还原性,FeCl2溶液易因被氧化而变质,配制FeCl2溶液时加入少量铁屑,目的是防止Fe2+被氧化。(2)溶液变红,说明有Fe3+生成,则FeCl2溶液与氯水反应的离子方程式为2Fe2++Cl22Fe3++2Cl-。(3)甲组实验中,FeCl2易被空气中的O2氧化,会生成FeCl3,因此实验不够严谨。加入煤油,煤油的密度比水小,可以起到隔绝空气的作用,从而排除氧气对实验的影响。(4)实验②中K3[Fe(CN)6]溶液的作用是检验Fe2+。根据实验①,CCl4层显紫色,说明有I2生成,根据实验②,生成蓝色沉淀,说明有Fe2+生成,根据实验③,溶液变红,说明有Fe3+剩余,I-过量的情况下,溶液中仍含有Fe3+,由此说明该反应为可逆反应。(5)溶液变为棕黄色,说明生成了Fe3+,离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O。溶液中有气泡出现,说明H2O2在Fe3+的催化作用下发生了分解反应,生成了O2。随后生成红褐色沉淀,则沉淀为Fe(OH)3,H2O2分解放出热量,Fe3+的水解平衡Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+向正反应方向不断进行,因此得到Fe(OH)3沉淀。
(1)防止Fe2+被氧化 (2)2Fe2++Cl22Fe3++2Cl- (3)隔绝空气(排除氧气对实验的影响) (4)Fe2+ Fe3+ 可逆反应
(5)2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O Fe3+催化H2O2分解产生O2 H2O2分解反应放热,促进Fe3+的水解平衡正向移动
考点2 铜及其化合物
考法3 铜及其化合物的性质
命题角度1 有关铜及其化合物的性质
5 已知酸性条件下有如下反应:2Cu+Cu2++Cu。由于反应温度不同,用氢气还原氧化铜时,可能产生Cu或Cu2O,两者都是红色固体。一位同学对某次用氢气还原氧化铜实验所得的红色固体的成分进行了检验,实验操作和实验现象记录如表所示:
加入试剂及条件
稀硫酸
浓硫酸/加热
稀硝酸
浓硝酸
实验现象
得到红色固体和蓝色溶液
产生无色气体
产生无色气体,得到蓝色溶液
产生红棕色气体,得到绿色溶液
由此推出本次氢气还原氧化铜实验的产物是
A.Cu B.Cu2O
C.一定有Cu,可能有Cu2O D.一定有Cu2O,可能有Cu
根据题中信息,向红色固体中加入稀硫酸得到红色固体和蓝色溶液,其中红色固体为铜,蓝色溶液为硫酸铜溶液,可推出原红色固体里一定有Cu2O;溶液中的红色固体铜,可能是原来固体中含有的,也可能是由Cu2O和稀硫酸反应生成的。
D
命题角度2 结合物质转化流程考查铜及其化合物的性质和制备
6 CuSO4是一种重要的化工原料,有关制备途径及性质如图所示。下列说法错误的是
A.途径①所用混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为3∶2
B.生成等量的硫酸铜,三个途径中参加反应的硫酸的物质的量:①=②<③
C.硫酸铜在1 100 ℃分解的方程式可能为2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑
D.当Y为葡萄糖时,葡萄糖发生还原反应
途径①涉及反应3Cu+8H++2NO3-3Cu2++2NO↑+4H2O,NO3-由硝酸提供,H+由硝酸和硫酸共同提供,所以若硝酸为2mol,则硫酸为(8-2)÷2=3mol,所以混酸中H2SO4与HNO3物质的量之比最好为3∶2,A正确。途径②涉及反应2Cu+2H2SO4+O22CuSO4+2H2O;途径③涉及反应Cu+2H2SO4(浓)CuSO4+SO2↑+2H2O;若生成1mol硫酸铜,途径①消耗1mol硫酸,途径②消耗1mol硫酸,途经③消耗2mol 硫酸,所以三个途径中,生成等量的硫酸铜,参加反应的硫酸的物质的量:①=②<③,B正确。根据题图可知,CuSO4在1100℃分解产生Cu2O和混合气体X,Cu2O为化合价降低的产物,则混合气体X中一定有化合价升高的产物,则一定含有O2,根据原子守恒、得失电子守恒,CuSO4在1100℃分解的方程式可能为2CuSO4Cu2O+SO2↑+SO3↑+O2↑,C正确;硫酸铜与过量的NaOH反应生成氢氧化铜,葡萄糖中含有醛基,能与新制氢氧化铜在NaOH过量的条件下反应生成Cu2O、H2O和葡萄糖酸钠,体现了葡萄糖的还原性,葡萄糖发生氧化反应,D错误。
D
考点扫描
1.[2017全国卷Ⅲ,13B改编]向Cl-浓度较高的溶液中加入Cu和CuSO4,生成CuCl沉淀而除去Cl-的反应为Cu+Cu2++2Cl-2CuCl( )
2.[2017浙江4月选考,27改编]Cu2O与稀硫酸反应的离子方程式是 ;加热条件下氨气被CuO氧化成一种气体单质,写出该反应的化学方程式: 。
3.[2016全国卷Ⅱ,13C改编]加入稀硝酸溶解,过滤、洗涤、干燥,可除去Cu粉中混有的CuO( )
提示: 1.√ 2.Cu2O+2H+Cu2++Cu+H2O 3CuO+2NH33Cu+N2+3H2O 3.✕
3. [2018浙江4月选考,24,2分]某同学通过如下流程制备氧化亚铜:
已知:CuCl难溶于水和稀硫酸;Cu2O+2H+Cu2++Cu+H2O
下列说法不正确的是( )
A.步骤②中的SO2可用Na2SO3替换
B.步骤③中为防止CuCl被氧化,可用SO2水溶液洗涤
C.步骤④发生反应的离子方程式为2CuCl+2OH-Cu2O+2Cl-+H2O
D.如果Cu2O试样中混有CuCl和CuO杂质,用足量稀硫酸与Cu2O试样充分反应,根据反应前、后固体质量可计算试样纯度
考点3 金属材料与金属矿物的开发利用
考法4 金属的冶炼
命题角度 金属材料与金属矿物的开发利用
7 [2019河南郑州二检]实验室利用废弃旧电池的铜帽(主要成分为Zn和Cu)回收Cu并制备ZnO的部分实验过程如图所示:
下列叙述错误的是
A.“溶解”操作中可用酸性条件下不断鼓入O2代替H2O2
B.铜帽溶解后,将溶液加热至沸腾以除去溶液中过量的H2O2
C.与加入的锌粉反应的离子为Cu2+、H+
D.“过滤”操作后,将滤液蒸干、高温灼烧即可制取纯净的ZnO
本题考查利用废弃旧电池的铜帽回收Cu并制备ZnO的实验过程,考查的核心素养是证据推理与模型认知。“溶解”操作的目的是将Cu转化为Cu2+,可用酸性条件下不断鼓入O2代替H2O2,其原理为2Cu+O2+4H+2Cu2++2H2O,A项正确。铜帽溶解后,将溶液加热至沸腾,H2O2发生分解而被除去,B项正确。加入锌粉,Cu2+与H+均可以与Zn发生反应,C项正确。“过滤”操作后,得到的滤液为Na2SO4和ZnSO4的混合溶液,蒸干、高温灼烧得不到纯净的ZnO,D项错误。
D
冲刺双一流
素材5 有关Zn、ZnO和Zn(OH)2、锌盐的性质和应用
1.锌单质
(1)在一定温度下Zn可以与F2、Cl2、Br2、S等单质反应生成相应的化合物,红热的Zn能与水蒸气反应:Zn+H2O(g)ZnO+H2。潮湿的空气中锌表面生成一层白色致密的碱式碳酸锌[Zn2(OH)2CO3]薄膜,它可阻止锌被继续氧化。
(2)Zn的性质类似于金属铝,可与非氧化性酸反应制备H2;也可与强碱反应:Zn+2NaOHNa2ZnO2+H2↑。
2.ZnO和Zn(OH)2
(1)氧化锌(ZnO),俗称锌白,难溶于水,是两性氧化物,可溶于酸和强碱,如ZnO+2HClZnCl2+H2O、ZnO+2NaOHNa2ZnO2+H2O。
(2)Zn(OH)2是两性氢氧化物,既可溶于酸,又可溶于碱:Zn(OH)2+2H+Zn2++2H2O、Zn(OH)2+2NaOHNa2ZnO2+2H2O。Zn(OH)2的化学性质类似于Al(OH)3,但Al(OH)3不溶于氨水,而Zn(OH)2可溶于氨水:Zn(OH)2+4NH3·H2O[Zn(NH3)4]2++
2OH-+4H2O。Zn(OH)2不稳定,受热易分解:Zn(OH)2ZnO+H2O。
3.锌盐
(1)Zn2+与氨水的反应:Zn2++2NH3·H2O(少量)Zn(OH)2↓+2NH4+;Zn2++4NH3·H2O(过量)[Zn(NH3)4]2++4H2O。
(2)向含Zn2+的盐溶液中加入Na2CO3溶液,可得到碱式碳酸锌白色沉淀:2Zn2++2CO32-+H2OZn2(OH)2CO3↓+CO2↑。
考点扫描
1.[2018全国卷Ⅰ,26(2)改编]将过量锌粒和氯化铬固体置于锥形瓶中,加入少量蒸馏水,再加入盐酸,溶液由绿色逐渐变为亮蓝色,该反应的离子方程式为 。
2.[2018全国卷Ⅱ,26改编]闪锌矿(主要成分为ZnS,含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)焙烧过程中主要反应的化学方程式为 。溶液中的Cd2+可用锌粉除去,其反应的离子方程式为 。
3.[2016全国卷Ⅲ,11改编]锌-空气燃料电池总反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn(OH)42-,放电时,负极反应为Zn+4OH--2e-Zn(OH)42-( )
4.[2015新课标全国卷Ⅱ,26(1)改编]酸性锌锰干电池外壳为金属锌,中间是碳棒,其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物,放电时产生MnOOH,电池反应的离子方程式为 。
提示:1.Zn+2Cr3+Zn2++2Cr2+ 2.ZnS+32O2ZnO+SO2 Cd2++ZnCd+Zn2+ 3.√ 4.Zn+2MnO2+2H+Zn2++2MnOOH
4. 锌钡白是BaSO4和ZnS的混合物,ZnS难溶于水。某化工厂以重晶石为原料制备锌钡白,生产过程中会产生大量的废气(主要成分为CO2、CO及少量SO2和硫蒸气等),生产工艺流程如图所示:
下列叙述错误的是( )
A.重晶石与钡餐的化学成分相同
B.Y气体的循环使用可以防止污染空气并提高原料利用率
C.Z(aq)中的阴离子是OH-和CO32-
D.高温煅烧过程中焦炭的作用是为反应提供热量和作还原剂
素材6 有关Ag、Ag2O与AgOH、AgNO3与[Ag(NH3)2]OH的性质和应用
1.银
(1)常温下在空气中能稳定存在,但在纯氧中高温加热可生成Ag2O,4Ag+O22Ag2O;常温下,银制品久置变黑原理:4Ag+2H2S+O22Ag2S+2H2O。
(2)与氧化性酸反应:2Ag+2H2SO4(浓)Ag2SO4+SO2↑+2H2O、Ag+2HNO3(浓)AgNO3+NO2↑+H2O、3Ag+4HNO3(稀)3AgNO3+NO↑+2H2O。
2.Ag2O与AgOH
(1)氧化银:棕黑色粉末,不稳定, 2Ag2O4Ag+O2↑;易溶于稀硝酸和氨水等,Ag2O+4NH3·H2O2[Ag(NH3)2]OH+3H2O;在空气中能吸收CO2;Ag2O能和某些有毒气体反应,因此常用于防毒面具中,2Ag2O+2Cl24AgCl+O2,Ag2O+CO2Ag+CO2;可溶解在H2O2溶液中,Ag2O+H2O22Ag+O2↑+H2O。
(2)AgOH常温下极不稳定,2AgOHAg2O(棕黑色)+H2O;溶于氨水,AgOH+2NH3·H2O[Ag(NH3)2]OH+2H2O。
3.AgNO3与[Ag(NH3)2]OH
(1)AgNO3:用于卤素离子、S2-、CO32-等的检验,生成沉淀;不稳定,见光易分解,2AgNO32Ag+O2↑+2NO2↑。
(2)AgNO3能与氨水反应:2AgNO3+2NH3·H2O(少量)Ag2O↓+H2O+2NH4NO3,AgNO3+3NH3·H2O(过量)[Ag(NH3)2]OH+NH4NO3+2H2O。
(3)肼(N2H4)和亚磷酸等都可以将AgNO3还原成金属银:N2H4+4AgNO34Ag↓+N2↑+4HNO3、H3PO3+2AgNO3+H2O2Ag↓+H3PO4+2HNO3。
(4)[Ag(NH3)2]OH可与含醛基的物质在一定条件下发生银镜反应。
考点扫描
1.[2018北京,9C改编]将Na2S溶液滴入AgCl浊液中,沉淀由白色逐渐变为黑色与氧化还原反应有关( )
2.[2017江苏,13C改编]向20%蔗糖溶液中加入少量稀H2SO4,加热;再加入银氨溶液,未出现银镜,说明蔗糖未水解( )
3.[2017江苏,19改编]AgCl溶于氨水生成络合物的离子方程式为 ;NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2,该反应的化学方程式为 。
4.[2016全国卷Ⅱ,11B改编]Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。正极反应式为Ag++e-Ag( )
提示:1.✕ 2.✕ 3.AgCl+2NH3·H2OAg(NH3)2++Cl-+2H2O 4Ag+4NaClO+2H2O4AgCl+4NaOH+O2↑
4.✕
5. [2017江苏,19,15分]某科研小组采用如下方案回收一种光盘金属层中的少量Ag(金属层中其他金属含量过低,对实验的影响可忽略)。
已知:①NaClO溶液在受热或酸性条件下易分解,如:
3NaClO 2NaCl+NaClO3
②AgCl可溶于氨水:AgCl+2NH3·H2O Ag(NH3)2++Cl-+2H2O
③常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3)2+:4Ag(NH3)2++N2H4·H2O 4Ag↓+N2↑+4NH4++4NH3↑+H2O
(1)“氧化”阶段需在80 ℃条件下进行,适宜的加热方式为 。
(2)NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2,该反应的化学方程式为 。HNO3也能氧化Ag,从反应产物的角度分析,以HNO3代替NaClO的缺点是 。
(3)为提高Ag的回收率,需对“过滤Ⅱ”的滤渣进行洗涤,并 。
(4)若省略“过滤Ⅰ”,直接向冷却后的反应容器中滴加10% 氨水,则需要增加氨水的用量,除因过量NaClO与NH3·H2O反应外(该条件下NaClO3与NH3·H2O不反应),还因为 。
(5)请设计从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag的实验方案: (实验中须使用的试剂有2 mol·L-1水合肼溶液,1 mol·L-1 H2SO4溶液)。
素材7 迁移应用铁元素的性质突破钴、镍元素的性质
铁、钴、镍同属于元素周期表中的Ⅷ族,性质相近,通称为铁系元素,主要化合价为+2和+3。
铁、钴、镍及其化合物的性质比较
化合价
+2
+3
单质
常温下,钴、镍在空气中能稳定存在,加热条件下可生成CoO、NiO
氧化物
CoO溶于酸和强碱溶液,不溶于水、乙醇、氨水,在空气中焙烧至600~900 ℃时转变成四氧化三钴;NiO溶于酸和氨水,不溶于水
Fe2O3只与酸发生复分解反应;Co2O3、Ni2O3在酸性溶液中显示强氧化性:Co2O3+6HCl2CoCl2+Cl2↑+3H2O,Ni2O3+6HCl2NiCl2+Cl2↑+3H2O
氢氧
化物
Fe(OH)2在空气中极易被氧化为Fe(OH)3;Co(OH)2在空气中很容易被氧化为棕褐色的Co(OH)3;Ni(OH)2在空气中较稳定,可用氧化性较强的物质在碱性介质中将其氧化
Fe(OH)3只与酸发生酸碱中和反应;Co(OH)3、Ni(OH)3在酸性溶液中有强氧化性,易被还原:
2Co(OH)3+6H++2Cl-2Co2++Cl2↑+6H2O,
2Ni(OH)3+6H++2Cl-2Ni2++Cl2↑+6H2O。
在H2SO3溶液中被还原,2Co(OH)3+SO32-+4H+2Co2++SO42-+5H2O,2Ni(OH)3+SO32-+4H+2Ni2++SO42-+5H2O
考点扫描
1.[2019全国卷Ⅲ,26(4)改编]向含有Zn2+和Ni2+的溶液中加入Na2S,以除去Zn2+和Ni2+,生成的沉淀为 。
2.[2015山东,29(2)改编]Co(OH)3溶解还原(还原剂为Na2SO3,酸性条件)反应的离子方程式为 。
3.[2014全国卷Ⅱ,28(6)改编]以CoCl2·6H2O、NH4Cl、H2O2、浓氨水为原料制备[Co(NH3)6]Cl3的化学方程式为 。
4.[2014浙江,11改编]已知6NiOOH+NH3+H2O+OH-6Ni(OH)2+NO2-。镍氢电池充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH(M表示储氢金属或合金),则该电池可用氨水等作电解质溶液( )
提示:1.ZnS和NiS 2.2Co(OH)3+SO32-+4H+2Co2++SO42-+5H2O[或Co(OH)3+3H+Co3++3H2O,2Co3++SO32-+H2O2Co2++SO42-+2H+] 3.2CoCl2·6H2O+2NH4Cl+10NH3+H2O22[Co(NH3)6]Cl3+14H2O 4.✕
6. [2019四川成都七中测试]镍废料中主要含有Ni,还含有少量的Cu、Fe等。现从中制取Ni2O3,其可用于制造人造卫星、宇宙飞船的高能电源,也可用于制造镉镍碱性电池。以镍废料为原料制备Ni2O3的工艺流程如图所示:
已知常温下0.010 mol/L的金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围如表所示:
Fe3+
Cu2+
Ni2+
开始沉淀pH
3.0
5.0
7.4
完全沉淀pH
4.0
6.5
9.0
回答下列问题:
(1)“酸浸”时参与反应的H2SO4与HNO3的物质的量之比保持为3∶2,此时镍单质被氧化为NiSO4,发生反应的化学方程式为 。
(2)加入碳酸钙调pH的目的是 ,“沉渣2”的主要成分是 (填化学式),必须先过滤“沉渣1”后再进行“除Cu”的原因是 。
(3)用离子方程式解释加入NH4F“除Ca”的过程: 。
(4)“操作B”是 ,煅烧时产生的两种气体是 。
(5)向NiO中加入盐酸,待NiO完全溶解后,需要加入NaOH溶液和NaClO溶液,加入NaOH溶液和NaClO溶液发生反应的离子方程式为 。
(6)根据题中表格数据,计算当0.010 mol/L NiSO4溶液中Ni2+完全沉淀时,c(Ni2+)= mol/L。
素材8 钒、铬、锰、钛及其化合物
1.钒及其化合物的性质
(1)V:常温下不活泼,不能与非氧化性酸及碱作用,但能溶于氢氟酸、硝酸和王水。
(2)V2O5:两性氧化物,但以酸性为主,V2O5+6NaOH2Na3VO4+3H2O;1 750 ℃发生分解反应,2V2O52V2O4+O2↑;微溶于水,易形成稳定的胶体;有较强的氧化性,V2O5+6HCl(浓)2VOCl2+Cl2↑+3H2O。
(3)VO2+、VO2+:在酸性介质中,VO2+具有强氧化性,VO2++Fe2++2H+VO2++Fe3++H2O,2VO2++H2C2O4+2H+2VO2++2CO2↑+2H2O。
(4)偏钒酸盐(NaVO3、NH4VO3)、正钒酸盐[Na3VO4、(NH4)3VO4],NH4VO3在加热条件下不稳定,2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O。
2.铬及其化合物的性质
(1)Cr:加热时,与O2反应生成Cr2O3。
(2)Cr2O3:两性氧化物,Cr2O3+6H+2Cr3++3H2O;Cr2O3+2OH-2CrO2-+H2O。
(3)Cr(OH)3:两性氢氧化物,Cr(OH)3+3H+Cr3++3H2O;Cr(OH)3+OH-CrO2-+2H2O。
(4)CrO42-与Cr2O72-:①可相互转化,2CrO42-(黄色)+2H+Cr2O72-(橙色)+H2O。②强氧化性,如5H++Cr2O72-+3HSO3-2Cr3++3SO42-+4H2O,2Na2CrO4+16HCl2CrCl3+4NaCl+3Cl2↑+8H2O。
3.锰及其化合物的性质
(1)Mn:高温时,与O2反应,生成Mn3O4。Mn的活泼性在Al与Zn之间,与非氧化性酸反应生成H2:Mn+2H+Mn2++H2↑。
(2)MnO2:在酸性条件下具有较强氧化性,如MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O。
(3)KMnO4与K2MnO4:①可相互转化,2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑,2K2MnO4+2H2O2KMnO4+2KOH+H2↑。②KMnO4具有强氧化性,如2KMnO4+16HCl(浓)2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O,2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4K2SO4+2MnSO4+10CO2↑+8H2O,酸性条件下还能与I-、SO2、SO32-、Fe2+等反应。
4.钛及其化合物的性质
(1)Ti:常温时与酸不反应,但可与HF反应(Ti+6HFH2TiF6+2H2↑),也可与热的浓盐酸反应[2Ti+6HCl(浓)2TiCl3+3H2↑]。
(2)TiO2:不溶于水和稀酸,可溶解在HF溶液及热的浓硫酸中;可与Cl2反应,TiO2+2Cl2TiCl4+O2;与碱溶液缓慢反应,TiO2+2NaOHNa2TiO3+H2O;在高温下与Cl2、C发生反应,TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO。
(3)TiCl4:暴露在空气中会冒出白烟,TiCl4+3H2OH2TiO3↓+4HCl;Mg作还原剂时可制备金属钛,2Mg+TiCl42MgCl2+Ti。
考点扫描
1.[2019全国卷Ⅲ,26(1)改编]用硫酸“溶浸”二氧化锰、硫化锰过程中发生反应的化学方程式为 。
2.[2017全国卷Ⅰ,27(2)改编]钛铁矿(主要成分为FeTiO3)用盐酸“酸浸”后,钛主要以TiOCl42-的形式存在,写出相应反应的离子方程式: 。
3.[2017全国卷Ⅲ,27(1)改编]FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2,配平后,FeO·Cr2O3与NaNO3的化学计量数之比为 。
4.[2016全国卷Ⅲ,28(1)改编]“酸浸”时V2O5转化为VO2+,反应的离子方程式为 ;偏钒酸铵(NH4VO3)煅烧生成V2O5的化学方程式为 。
5.[2016全国卷Ⅰ,27改编]CrO42-和Cr2O72-在溶液中可以相互转化,用离子方程式表示其转化关系: ,
+6价铬的化合物毒性较大,常用NaHSO3将废液中的Cr2O72-还原成Cr3+,该反应的离子方程式为 。
6.[2016全国卷Ⅰ,36改编]软锰矿(主要成分为MnO2)与氢氧化钾和富氧空气在加热条件下制备锰酸钾的化学方程式为 。在K2MnO4溶液中通入CO2气体,使体系呈中性或弱酸性,K2MnO4发生歧化反应,该反应的化学方程式为 。
提示:1.MnO2+MnS+2H2SO42MnSO4+S+2H2O 2.FeTiO3+4H++4Cl-Fe2++TiOCl42-+2H2O 3.2∶7 4.V2O5+2H+2VO2++H2O 2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O↑ 5.2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O Cr2O72-+3HSO3-+5H+2Cr3++3SO42-+4H2O 6.2MnO2+4KOH+O22K2MnO4+2H2O 3K2MnO4+4CO2+2H2O2KMnO4+MnO2↓+4KHCO3
7. 金属钒被誉为“合金的维生素”,常用于制催化剂和新型电池。钒(V)在溶液中主要以VO43-(无色)、VO2+(黄色)、VO2+(蓝色)、V3+(绿色)、V2+(紫色)等形式存在。回答下列问题:
(1)已知:4Al(s)+3O2(g)2Al2O3(s) ΔH1
4V(s)+5O2(g)2V2O5(s) ΔH2
写出V2O5与Al反应制备金属钒的热化学方程式: 。(反应热用ΔH1、ΔH2表示)
(2)V2O5具有较强的氧化性,溶于浓盐酸可以得到蓝色溶液(含有VO2+),写出V2O5与浓盐酸反应的化学方程式:
。
(3)VO43-和V2O74-在pH≥13的溶液中可相互转化。室温下,1.0 mol·L-1的Na3VO4溶液中c(VO43-)随c(H+)的变化如图1所示。溶液中c(H+)增大,VO43-的平衡转化率 (填“增大”“减小”或“不变”),该转化反应的平衡常数K= 。
图1 图2
(4)全钒液流电池是一种优良的新型蓄电储能设备,其工作原理如图2所示:
①放电过程中,A电极的反应式为 。
②充电过程中,B电极附近溶液颜色变化为 。
③若该电池放电时的电流I=2.0 A,电池工作10 min,电解精炼铜得到铜m g,则电流利用率为 。(写出表达式,不必计算出结果。已知:电池输出电荷量Q=It;电解时Q=znF,z为1分子物质得失电子数,n为物质的量,法拉第常数F=96 500 C·mol-1,电流利用效率=负载利用电荷量电池输出电荷量×100%)
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