课时跟踪检测(四十四)　化学工艺流程——物质的制备与提纯(题型课)

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软锰矿 eq \(――→,\s\up7( ),\s\d5(研磨)) eq \(――――――――――――――――→,\s\up7(过量较浓H2SO4、过量铁屑),\s\d5(溶出（20 ℃）)) Mn2＋溶出液 eq \(――→,\s\up7( ),\s\d5(纯化)) Mn2＋纯化液 eq \(――→,\s\up7( ),\s\d5(电解)) MnO2
资料：①软锰矿的主要成分为MnO2，主要杂质有Al2O3和SiO2。
②金属离子沉淀的pH
③该工艺条件下，MnO2与H2SO4不反应。
(1)溶出
①溶出前，软锰矿需研磨。目的是_____________________________________________
________________________________________________________________________。
②溶出时，Fe的氧化过程及得到Mn2＋的主要途径如图所示。
ⅰ.Ⅱ是从软锰矿中溶出Mn2＋的主要反应，反应的离子方程式是___________
_____________________________________________________________。
ⅱ.若Fe2＋全部来自于反应Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，完全溶出Mn2＋所需Fe与MnO2的物质的量比值为2，而实际比值(0.9)小于2，原因是_____________________________。
(2)纯化
已知O2的氧化性与溶液pH有关。纯化时先加入MnO2，后加入NH3·H2O，调溶液pH≈5，说明试剂加入顺序及调节pH的原因：_________________________________
_________________________________________________。
(3)电解
Mn2＋纯化液经电解得MnO2，生成MnO2的电极反应式是___________________________
_____________________________________________。
(4)产品纯度测定
向a g产品中依次加入足量b g Na2C2O4和足量稀H2SO4，加热至充分反应，再用c ml·L－1 KMnO4溶液滴定剩余Na2C2O4至终点，消耗KMnO4溶液的体积为d L。(已知：MnO2及MnO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(4)) 均被还原为Mn2＋，相对分子质量：MnO2 86.94；Na2C2O4 134.0)产品纯度为________(用质量分数表示)。
解析：(1)①研磨软锰矿可增大固体与浓硫酸的接触面积，增大反应速率，提高浸出率；②ⅰ.根据反应途径可知，二氧化锰与亚铁离子反应生成二价锰离子和铁离子，则反应的离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Fe2＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O；ⅱ.根据方程式可知，Fe与MnO2的物质的量比值为2，实际反应时，二氧化锰能够氧化单质铁为Fe2＋，导致需要的铁减少，故实际比值(0.9)小于2。(2)MnO2的氧化性与溶液pH有关，且随酸性的减弱，氧化性逐渐减弱，溶液显酸性时，二氧化锰的氧化性较强，故纯化时先加入MnO2，后加入NH3·H2O，调溶液pH≈5，除去溶液中的Al3＋、Fe3＋。(3)电解时，溶液呈酸性，Mn2＋失电子，与水反应生成二氧化锰和氢离子，则电极反应式为Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋。(4)根据题意可知，部分草酸钠与二氧化锰发生氧化还原反应，剩余部分再与高锰酸钾反应(5H2C2O4＋2KMnO4＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O)，则与二氧化锰反应的草酸钠：MnO2＋Na2C2O4＋2H2SO4===Na2SO4＋MnSO4＋2CO2↑＋2H2O，则n(MnO2)＝n(Na2C2O4)＝ eq \f(b g,134.0 g·ml－1) － eq \f(c ml·L－1×d L,2) ×5，产品纯度＝
eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b g,134.0 g·ml－1)－\f(c ml·L－1×d L,2)×5))×86.94 g·ml－1,a g) ×100%＝ eq \f(（b－335cd）×86.94,134.0a) ×100%。
答案：(1)①增大反应速率，提高浸出率 ②MnO2＋4H＋＋2Fe2＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O 二氧化锰能够氧化单质铁为Fe2＋
(2)MnO2的氧化性随酸性的减弱逐渐减弱
(3)Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋
(4) eq \f(（b－335cd）×86.94,134.0a) ×100%
2．(2021·芜湖模拟)鞣剂[Cr(OH)SO4]可用于提高皮革的耐曲折强度。一种以铬渣(含Cr2O3及少量Fe2O3、CaO、Al2O3、SiO2等杂质)为原料制备Cr(OH)SO4的工艺流程如图：
回答下列问题：
(1)“焙烧”时Cr2O3转化为Na2CrO4的化学方程式是
________________________________________________________________________。
(2)“水浸”过程中，物料的粒度(颗粒大小)对铬残余量的影响如图所示。最佳的反应条件为________目。
(3)“滤渣1”中一种成分为铁铝酸四钙(Ca4Fe2Al2O10)，它是制造水泥的原料之一，用氧化物的形式表示其化学式__________________。
(4)“滤渣2”主要成分为Al(OH)3和________(填化学式)，“过滤2”后，将溶液pH调至a，a________6.5(填“小于”或“大于”)，目的是__________________________________
(用离子方程式表示)。
(5)已知CH3OH被氧化生成CO2，写出生成Cr(OH)SO4的化学方程式____________
______________________________________________________。
(6)某厂用m1 kg的铬渣(含Cr2O340%)制备Cr(OH)SO4，最终得到产品m2 kg，产率为________。
解析：(1)“焙烧”时Cr2O3转化为Na2CrO4的化学方程式是2Cr2O3＋4Na2CO3＋3O2 eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( )) 4Na2CrO4＋4CO2。(2)由图可知，“水浸”过程中，物料的粒度(颗粒大小)为60目时铬残余量最小，则最佳的反应条件为60目。(3)“滤渣1”中一种成分为铁铝酸四钙(Ca4Fe2Al2O10)，用氧化物的形式表示其化学式4CaO·Al2O3·Fe2O3。(4)“滤渣2”主要成分为Al(OH)3和H2SiO3，“过滤2”后，将溶液pH调至a，a小于6.5，目的是2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋H2O。(5)CH3OH被氧化生成CO2，则生成Cr(OH)SO4的化学方程式为Na2Cr2O7＋3H2SO4＋CH3OH===2Cr(OH)SO4＋Na2SO4＋CO2↑＋4H2O。(6)用m1 kg的铬渣(含Cr2O3 40%)制备Cr(OH)SO4，最终得到产品m2 kg，由Cr原子守恒可知，理论上生成的产品的质量为 eq \f(m1 kg×40%,152 g·ml－1) ×165 g·ml－1×2＝ eq \f(132 m1,152) kg，产率为 eq \f(m2,\f(132m1,152)) ×100%＝ eq \f(38m2,33m1) ×100%。
答案：(1)2Cr2O3＋4Na2CO3＋3O2 eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5()) 4Na2CrO4＋4CO2
(2)60
(3)4CaO·Al2O3·Fe2O3
(4)H2SiO3 小于 2CrO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2H＋Cr2O eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(7)) ＋H2O
(5)Na2Cr2O7＋3H2SO4＋CH3OH===2Cr(OH)SO4＋Na2SO4＋CO2↑＋4H2O
(6) eq \f(38m2,33m1) ×100%
3．Na5PW11O39Cu/TiO2膜可催化污染物的光降解，一种生产工艺流程如下，回答下列问题：
(1)“溶解Ⅰ”发生的离子反应方程式为__________________________________，
Na2WO4(钨酸钠)在酸性条件下有较强的氧化性，该步骤不能用浓盐酸代替浓硝酸的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)“除杂”时用过量有机溶剂萃取溶液中的NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，再通过________方法分离杂质。
(3)“溶解Ⅱ”需要加入水、乙醇和稀硫酸。①加入乙醇的目的是____________________
________________________________________________________________________。
②钛酸四丁酯水解生成TiO2和C4H9OH的化学方程式为________________
_____________________________________________。
③溶液中Cu2＋浓度为0.02 ml·L－1，需调节pH小于________。{已知Ksp[Cu(OH)2]＝2×10－20}
(4)焙烧温度、Na5PW11O39Cu用量对Na5PW11O39Cu/TiO2膜催化活性的影响随时间(t)变化分别如图1、图2所示。
制备Na5PW11O39Cu/TiO2膜的最佳条件：焙烧温度________，Na5PW11O39Cu用量________。
解析：(1)浓硝酸、HPO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 和WO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 反应生成PW11O eq \\al(\s\up1(7－),\s\d1(39)) ，化学方程式为HPO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋11WO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋17H＋===PW11O eq \\al(\s\up1(7－),\s\d1(39)) ＋9H2O；Na2WO4(钨酸钠)在酸性条件下有较强的氧化性，会和浓盐酸反应生成有毒气体氯气，污染环境。(2)“除杂”时用过量有机溶剂萃取溶液中的NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ，再通过分液方法分离杂质。(3)①“溶解 Ⅱ ”需要加入水、乙醇和稀硫酸，加入乙醇的目的是增大钛酸四丁酯的溶解度。②钛酸四丁酯水解生成TiO2和C4H9OH，化学方程式为Ti(OC4H9)4＋2H2O===TiO2＋4C4H9OH。③Ksp[Cu(OH)2]＝c(Cu2＋)·c2(OH－)＝2×10－20，则c(OH－)＝ eq \r(\f(Ksp[Cu（OH）2],c（Cu2＋）)) ＝ eq \r(\f(2×10－20, 0.02)) ＝10－9 ml·L－1，则c(H＋)＝10－5 ml·L－1，pH＝－lg c(H＋)＝－lg 10－5＝5。(4)由图1可知温度为100 ℃时Na5PW11O39Cu/TiO2膜的活性最高；由图2可知当Na5PW11O39Cu用量为3.0 g时，Na5PW11O39Cu/TiO2膜的活性最高。
答案：(1)HPO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋11WO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋17H＋===PW11O eq \\al(\s\up1(7－),\s\d1(39)) ＋9H2O WO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) 具有强氧化性，能将盐酸氧化生成有毒气体氯气，污染环境
(2)分液
(3)①增大钛酸四丁酯的溶解度 ②Ti(OC4H9)4＋2H2O===TiO2＋4C4H9OH ③5 (4)100 ℃ 3.0 g
4．(2021·银川模拟)三氧化二钴主要用作颜料、釉料及磁性材料，利用铜钴矿石制备C2O3的工艺流程如图1。
已知：铜钴矿石主要含有CO(OH)、CCO3、Cu2(OH)2CO3和SiO2，其中还含有一定量的Fe2O3、MgO和CaO等。
请回答下列问题：
(1)“浸泡”过程中可以加快反应速率和提高原料利用率的方法有_________________
___________(写出2种即可)。
(2)“浸泡”过程中，加入Na2SO3溶液的主要作用是______________________________
________________________________________________________________________。
(3)向“沉铜”后的滤液中加入NaClO3溶液，写出滤液中的金属离子与NaClO3反应的离子方程式____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)温度、pH对铜、钴浸出率的影响如图2、图3所示：
①“浸泡”铜钴矿石的适宜条件为______________。
②图3中pH增大时铜、钴浸出率下降的原因可能是___________________________
________________________________________________________________________。
(5)CC2O4·2H2O在空气中高温煅烧得到C2O3的化学方程式是________________
___________________________________________________。
(6)一定温度下，向滤液A中加入足量的NaF溶液可将Ca2＋、Mg2＋沉淀而除去，若所得滤液B中c(Mg2＋)＝1.0×10－5 ml·L－1，则滤液B中c(Ca2＋)为__________。[已知该温度下Ksp(CaF2)＝3.4×10－11，Ksp(MgF2)＝7.1×10－11]
解析：往铜钴矿石中加入过量稀硫酸和Na2SO3溶液，“浸泡”后溶液中含有C2＋、Cu2＋、Fe2＋、Mg2＋、Ca2＋，加入Na2SO3溶液主要是将C3＋、Fe3＋还原为C2＋、Fe2＋，“沉铜”后先加入NaClO3溶液将Fe2＋氧化为Fe3＋，再加入Na2CO3溶液调节pH使Fe3＋形成沉淀，过滤后所得滤液A主要含有C2＋、Mg2＋、Ca2＋，再用NaF溶液除去钙离子、镁离子，过滤后，向滤液B中加入浓Na2CO3溶液使C2＋转化为CCO3固体，向CCO3固体中先加盐酸，再加草酸铵溶液得到二水合草酸钴，煅烧后制得C2O3。(1)“浸泡”过程中可以加快反应速率和提高原料利用率的方法有升温、粉碎矿石、适当增大稀硫酸的浓度等。(2)Na2SO3具有较强的还原性，加入过量的Na2SO3溶液可将C3＋和Fe3＋还原为C2＋及Fe2＋。(3)由图1可知，“沉铜”后加入NaClO3溶液时，C2＋并未被氧化，被氧化的是Fe2＋，反应的离子方程式为ClO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋6Fe2＋＋6H＋===Cl－＋6Fe3＋＋3H2O。(4)①根据图2、图3可知，“浸泡”铜钴矿石的适宜条件是温度为65～75 ℃、pH为0.5～1.5。②图3反映的是pH变化对铜、钴浸出率的影响，“浸泡”过程是利用H＋和CO(OH)、CCO3、Cu2(OH)2CO3发生反应以浸出金属离子，当pH逐渐增大时，H＋的浓度减小，铜、钴浸出率降低。(5)CC2O4·2H2O在空气中高温煅烧得到C2O3的化学方程式为4CC2O4·2H2O＋3O2 eq \(=====,\s\up7(高温),\s\d5( )) 2C2O3＋8CO2＋8H2O。(6)c(Ca2＋)＝ eq \f(Ksp（CaF2）,Ksp（MgF2）) ×c(Mg2＋)＝ eq \f(3.4×10－11,7.1×10－11) ×1.0×10－5ml·L－1≈4.8×10－6 ml·L－1。
答案：(1)升温、粉碎矿石、适当增大稀硫酸的浓度(写出2种即可)
(2)将C3＋、Fe3＋还原为C2＋、Fe2＋
(3)ClO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ＋6Fe2＋＋6H＋===Cl－＋6Fe3＋＋3H2O
(4)①温度为65～75 ℃、pH为0.5～1.5 ②pH升高后溶液中c(H＋)下降，溶解CO(OH)、CCO3、Cu2(OH)2CO3的能力降低 (5)4CC2O4·2H2O＋3O2 eq \(=====,\s\up7(高温),\s\d5( )) 2C2O3＋8CO2＋8H2O
(6)4.8×10－6 ml·L－1
5．一种磁性材料的磨削废料的主要成分是铁镍合金(含镍质量分数约21%)，还含有铜、钙、镁、硅的氧化物。由该废料制备氢氧化镍，工艺流程如下：
回答下列问题：
(1)“酸溶”时，溶液中有Fe3＋、Fe2＋、Ni2＋等生成，废渣的主要成分是________；金属镍溶解的离子方程式为______________________________。
(2)“除铁”时H2O2的作用是______________________，加入碳酸钠的目的是________________________________________________________________________。
(3)“除铜”时，反应的离子方程式为______________________________，若用Na2S代替H2S除铜，优点是______________________。
(4)已知除钙镁过程在陶瓷容器中进行，NaF的实际用量不能过多的理由为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)“酸溶”时，硅的氧化物与硫酸和硝酸均不反应，故废渣的主要成分为SiO2。“酸溶”时加入的是混酸，金属镍溶解时，Ni与硝酸发生氧化还原反应，离子方程式为5Ni＋12H＋＋2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===5Ni2＋＋N2↑＋6H2O。(2)“酸溶”后所得溶液中含有Fe3＋、Fe2＋，“除铁”时H2O2的作用是将Fe2＋氧化为Fe3＋，加入碳酸钠的目的是调节溶液的pH，使Fe3＋完全沉淀为黄钠铁矾渣。(3)“除铜”时通入H2S，将Cu2＋沉淀，反应的离子方程式为H2S＋Cu2＋===CuS↓＋2H＋。H2S为易挥发的有毒气体，若用Na2S代替H2S除铜，可保护环境。(4)“除铜”时生成了CuS和H＋，溶液酸性增强，加入NaF除钙镁时，若NaF的实际用量过多，则有HF生成，HF会腐蚀陶瓷容器。
答案：(1)SiO2 5Ni＋12H＋＋2NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===5Ni2＋＋N2↑＋6H2O
(2)将Fe2＋氧化为Fe3＋ 调节溶液的pH，使Fe3＋完全沉淀为黄钠铁矾渣
(3)H2S＋Cu2＋===CuS↓＋2H＋ 无易挥发的有毒气体H2S逸出，可保护环境
(4)过量的F－结合H＋生成氢氟酸会腐蚀陶瓷容器
6．钴被誉为战略物资，有出色的性能和广泛的应用。以水钴矿(主要成分为C2O3、CO、CuO、Fe2O3、CaO、MgO、NiO和SiO2等)为原料制备CCl2·6H2O的工艺流程如图所示：
回答下列问题：
(1)“酸浸”
①钴的浸出率随酸浸时间、温度的变化关系如下图所示。综合考虑成本，应选择的最佳工艺条件为________；滤渣A的主要成分为________。
②写出C2O3与浓硫酸反应生成CSO4的化学方程式：
________________________________________________________________________。
(2)“净化除杂”过程包括除铁、除钙镁、除铜等步骤。
①除铁：加入适量Na2SO4固体，析出淡黄色晶体黄钠铁矾Na2Fe6(SO4)4(OH)12，写出反应的离子方程式：______________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②除铜：加入适量Na2S2O3，发生反应：2CuSO4＋2Na2S2O3＋2H2O===Cu2S↓＋S↓＋2Na2SO4＋2H2SO4，Na2S2O3中硫元素的化合价是________，上述反应每消耗15.8 g Na2S2O3，反应中转移电子________ ml。
(3)“萃取和反萃取”
①“水相C”中的溶质主要是Na2SO4和________(写化学式)。
②实验室称取100 g原料(含钴11.80%)，反萃取时得到浓度为0.036 ml·L－1 CCl2溶液5 L，忽略损耗，钴的产率＝________(产率＝ eq \f(产物中元素总量,原料中该元素总量) ×100%)。
解析：(1)①结合题给图像和钴的浸出率来看，综合考虑成本，应选择的最佳工艺条件为12 h、90 ℃；水钴矿主要成分中的SiO2在酸浸过程中不能溶解，所以滤渣A的主要成分为SiO2(二氧化硅)。②由C2O3与浓硫酸反应生成CSO4可知，C2O3作氧化剂，而硫酸中的H、S都处于最高价，故只能是氧元素被氧化生成O2，根据电子守恒可以写出该反应的化学方程式为2C2O3＋4H2SO4(浓) eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( )) 4CSO4＋4H2O＋O2↑。(2)①加入适量Na2SO4固体，析出淡黄色晶体黄钠铁矾Na2Fe6(SO4)4(OH)12，根据原子守恒可写出反应的离子方程式为2Na＋＋6Fe3＋＋4SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋12H2ONa2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H＋。②加入适量Na2S2O3，发生反应：2CuSO4＋2Na2S2O3＋2H2O===Cu2S↓＋S↓＋2Na2SO4＋2H2SO4，Na2S2O3中硫元素的平均化合价是＋2价，化合价降低的是铜，从＋2价降到＋1价，Na2S2O3中有一部分S化合价从＋2价降到－2价或0价，有一部分从＋2价升高到＋6价(生成H2SO4)，每消耗2 ml Na2S2O3，反应中转移电子的物质的量为(6－2)×2 ml＝8 ml，则每消耗15.8 g Na2S2O3，反应中转移电子 eq \f(15.8 g,158 g·ml－1) × eq \f(1,2) ×8＝0.4 ml。(3)①纵览整个流程可知，经过酸浸，过滤，得到的滤液经历了除铁、除钙镁、除铜以后，再经过萃取操作，“水相C”中的主要溶质只剩下Na2SO4和NiSO4。②实验室称取100 g原料(含钴11.80 %)，反萃取时得到浓度为0.036 ml·L－1 CCl2溶液5 L，忽略损耗，则钴的产率＝ eq \f(0.036 ml·L－1×5 L×59 g·ml－1,100 g×11.80%) ×100%＝90%。
答案：(1)①12 h、90 ℃ SiO2(二氧化硅)
②2C2O3＋4H2SO4(浓) eq \(=====,\s\up7(△),\s\d5( )) 4CSO4＋4H2O＋O2↑
(2)①2Na＋＋6Fe3＋＋4SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋12H2ONa2Fe6(SO4)4(OH)12↓＋12H＋
②＋2 0.4
(3)①NiSO4 ②90%Fe3＋
Al3＋
Mn2＋
Fe2＋
开始沉淀时
1.5
3.4
5.8
6.3
完全沉淀时
2.8
4.7
7.8
8.3