2022届高考化学一轮复习 微题型26 金属及其化合物制备流程(一)(Li、Sr、Pb、Ti、Mn)（解析版）

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已知：
①部分金属氢氧化物开始沉淀和完全沉淀时的pH：
②Li2CO3在不同温度下的溶解度如下表：
请回答下列问题：
(1)用氧化物形式表示LiAlSi2O6的组成______________________________________。
(2)反应Ⅱ加入碳酸钙的作用是_______________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)写出反应Ⅲ中生成沉淀A的离子方程式：___________________________________
________________________________________________________________________。
(4)洗涤所得Li2CO3沉淀要使用________(填“热水”或“冷水”)，理由是_________
________________________________________________________________________。
(5)流程中两次使用了Na2CO3溶液，第一次浓度小，第二次浓度大的原因是________
________________________________________________________________________。
(6)该工艺中，电解熔融氯化锂生产锂时，阳极产生的氯气中会混有少量氧气，原因是________________________________________________________________________。
2．(2020·广州质检)高纯六水氯化锶晶体(SrCl2·6H2O)具有很高的经济价值，工业上用碳酸锶(SrCO3)粉为原料(含少量钡和铁的化合物等)制备高纯六水氯化锶晶体的过程如下：
已知：①M(SrCl2·6H2O)＝267 g·ml－1
②Ksp(SrSO4)＝3.3×10－7、Ksp(BaSO4)＝1.1×10－10
③经盐酸浸取后，溶液中除含有Sr2＋和Cl－外，还含有少量Ba2＋、Fe2＋、Fe3＋杂质
④SrCl2·6H2O晶体在61 ℃时开始失去结晶水，100 ℃时失去全部结晶水
请回答下列问题：
(1)已知Sr为第五周期ⅡA族元素，则不符合Sr>Ca的是________(填序号)。
①原子半径 ②最外层电子数 ③金属性 ④最高价氧化物对应的水化物的碱性
(2)写出碳酸锶与盐酸反应的离子方程式：_____________________________________
________________________________________________________________________。
(3)工业上用热风吹干六水氯化锶，适宜的温度是______(填字母)。
A．50～60 ℃ B．70～80 ℃
C．80～100 ℃ D．100 ℃以上
(4)步骤④的操作是________________、____________、过滤。
(5)加入硫酸的目的是_____________________________________________________。
(6)若滤液中Ba2＋的浓度为1×10－5 ml·L－1，依据题给信息计算滤液中Sr2＋的物质的量浓度为________ ml·L－1。
3．(2020·大连模拟)用废铅蓄电池的铅泥(含PbSO4、PbO和Pb等)制备精细化工产品PbSO4·3PbO·H2O(三盐)的主要流程如下：
已知：常温下，Ksp(PbSO4)≈2.0×10－8，Ksp(PbCO3)≈1.0×10－13。回答下列问题：
(1)铅蓄电池在生活中有广泛应用，其工作原理是Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电))2PbSO4＋2H2O。铅蓄电池在充电时，阳极的电极反应式为________________。若铅蓄电池放电前，正、负极电极质量相等，如果放电时转移了1 ml电子，则理论上两电极质量之差为________。
(2)将滤液1、滤液3合并，经蒸发浓缩、降温结晶、过滤等操作，得到一种结晶水合物(Mr＝322)，其化学式为________________________________。
(3)步骤③酸溶时铅与硝酸反应生成Pb(NO3)2及NO的离子方程式为________________；滤液2中溶质的主要成分为____________(写化学式)。
(4)步骤⑥合成三盐的化学方程式为____________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)步骤⑦洗涤过程中，检验沉淀是否洗涤干净的方法是
________________________________________________________________________。
(6)在步骤①的转化中，若硫酸铅和碳酸铅在浊液中共存，则eq \f(cSO\\al(2－,4),cCO\\al(2－,3))＝________。
4．(2019·河北冀州中学高三仿真模拟)工业由钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量Fe2O3、Al2O3、FeO、SiO2等杂质)制备TiCl4的工艺流程如下：
已知：
①酸浸 FeTiO3(s)＋2H2SO4(aq)===FeSO4(aq)＋TiOSO4(aq)＋2H2O(l)
②水解 TiOSO4(aq)＋2H2O(l)eq \(=====,\s\up7(90 ℃))H2TiO3(s)＋H2SO4(aq)
③煅烧 H2TiO3(s)eq \(=====,\s\up7(煅烧))TiO2(s)＋H2O(g)
(1)FeTiO3中钛元素的化合价为__________，试剂A为____________________。
(2)碱浸过程发生反应的离子方程式为_________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)酸浸后需将溶液温度冷却至70 ℃左右，若温度过高会导致最终产品吸收率过低，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)上述流程中氯化过程的化学方程式为_______________________________________
________________________________________________________________________。
已知TiO2(s)＋2Cl2(g)TiCl4(l)＋O2(g) ΔH＝＋151 kJ·ml－1。该反应极难进行，当向反应体系中加入碳后，则反应在高温条件下能顺利发生。从化学平衡的角度解释原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)TiCl4极易水解，利用此性质可制备纳米级TiO2·xH2O，该反应的化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
5．[2020·新高考全国卷Ⅰ(山东)，16(2)(3)(4)(5)]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：
(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≤1.0×10－5 ml·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_______________________________________
________________________________________________________________________。
6．(2020·北京，18)MnO2是重要化工原料，由软锰矿制备MnO2的一种工艺流程如下：
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.步骤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：MnO2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MnOeq \\al(－,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)。
答案精析
1．(1)Li2O·Al2O3·4SiO2 (2)除去反应Ⅰ中过量的H2SO4；控制pH，使Fe3＋、Al3＋完全沉淀 (3)Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓、Ca2＋＋COeq \\al(2－,3)===CaCO3↓ (4)热水 Li2CO3在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少Li2CO3的溶解损耗 (5)第一次浓度过大会使部分Li＋沉淀，第二次浓度大则有利于Li2CO3沉淀的生成 (6)加热蒸干LiCl溶液时，有少量LiCl水解生成LiOH，LiOH受热分解生成Li2O，电解时产生O2
解析 (1)硅酸盐既可以用盐的形式表示，也可以用氧化物的形式表示。在用氧化物表示时，先写活泼金属的氧化物，再写较活泼金属的氧化物，最后写非金属的氧化物，并且要符合质量守恒定律。LiAlSi2O6可表示为Li2O·Al2O3·4SiO2。(2)反应Ⅱ加入碳酸钙是为了除去反应Ⅰ中过量的H2SO4；控制pH，使Fe3＋、Al3＋完全沉淀。(3)根据框图中物质之间的转化关系可知，反应Ⅲ中生成沉淀A的离子方程式为Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓、Ca2＋＋COeq \\al(2－,3)===CaCO3↓。(4)因为Li2CO3的溶解度随温度的升高而降低，所以洗涤Li2CO3沉淀要使用热水，这样可减少Li2CO3的溶解损耗。(5)若第一次碳酸钠溶液浓度过大，则部分Li＋会形成沉淀，而第二次碳酸钠溶液浓度大，则有利于Li2CO3沉淀的生成。(6)因为在加热蒸干LiCl溶液时，有少量LiCl发生水解反应生成LiOH，LiOH受热分解生成Li2O，Li2O在电解时产生O2。因此电解LiCl时，阳极产生的氯气中常含有少量的O2。
2．(1)② (2)SrCO3＋2H＋===Sr2＋＋CO2↑＋H2O (3)A
(4)蒸发浓缩 冷却结晶 (5)除去Ba2＋杂质 (6)0.03
解析 (2)SrCO3类似于CaCO3，与盐酸反应的离子方程式为SrCO3＋2H＋===Sr2＋＋CO2↑＋H2O。(3)根据题目信息知SrCl2·6H2O晶体在61 ℃时开始失去结晶水，100 ℃时失去全部结晶水。工业上用热风吹干六水氯化锶但又不能脱去结晶水，所以选A。(4)第③步过滤后滤液的溶质为SrCl2，从溶液中获得SrCl2·6H2O晶体，还须进行的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。(5)由于BaSO4是难溶于水的物质，所以在操作过程中加入硫酸是使溶液中的Ba2＋形成BaSO4沉淀而除去Ba2＋杂质。(6)Ksp(BaSO4)＝1.1×10－10，由于溶液中Ba2＋浓度为1×10－5 ml·L－1，则c(SOeq \\al(2－,4))＝eq \f(1.1×10－10,1×10－5) ml·L－1＝1.1×10－5ml·L－1，根据Ksp(SrSO4)＝3.3×10－7可知，c(Sr2＋)＝eq \f(3.3×10－7,1.1×10－5) ml·L－1＝3.0×10－2ml·L－1＝0.03 ml·L－1。
3．(1)PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋ 16 g
(2)Na2SO4·10H2O (3)3Pb＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Pb2＋＋2NO↑＋4H2O HNO3
(4)4PbSO4＋6NaOHeq \(=====,\s\up7(50～60 ℃))PbSO4·3PbO·H2O＋3Na2SO4＋2H2O
(5)取少量最后一次的洗涤液于洁净的试管中，向其中滴加硝酸酸化的Ba(NO3)2溶液，若产生白色沉淀，则沉淀未洗涤干净；否则，已洗涤干净
(6)2.0×105
解析 (1)铅蓄电池在充电时，阳极上发生氧化反应，电极反应式为PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋。放电时，正极的电极反应式为PbO2＋2e－＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋===PbSO4＋2H2O；负极的电极反应式为Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4。若转移2 ml电子，则正极材料净增质量为m(PbSO4)－m(PbO2)，负极材料净增质量为m(PbSO4)－m(Pb)，二者质量之差为m(O2)＝32 g，所以放电时转移1 ml电子，两极质量之差为16 g。(2)滤液1和滤液3的主要溶质是硫酸钠，由得到的结晶水合物的相对分子质量知，析出的结晶水合物为Na2SO4·10H2O。(3)铅与硝酸反应类似铜与硝酸反应，离子方程式为3Pb＋8H＋＋2NOeq \\al(－,3)===3Pb2＋＋2NO↑＋4H2O；沉铅反应为Pb(NO3)2＋H2SO4===PbSO4↓＋2HNO3，故滤液2的溶质主要是HNO3。(4)加入氢氧化钠溶液，使硫酸铅转化成三盐，化学方程式为4PbSO4＋6NaOHeq \(======,\s\up7(50～60 ℃))PbSO4·3PbO·H2O＋3Na2SO4＋2H2O。(5)沉淀表面有Na2SO4等杂质，检验沉淀是否洗涤干净，就是检验最后一次的洗涤液是否还含有SOeq \\al(2－,4)。操作方法是取少量最后一次洗涤液于洁净的试管中，向其中滴加硝酸酸化的Ba(NO3)2溶液，若产生白色沉淀，则沉淀未洗涤干净；否则，已洗涤干净。(6)PbSO4(s)和PbCO3(s)的浊液中：eq \f(cSO\\al(2－,4),cCO\\al(2－,3))＝eq \f(KspPbSO4,KspPbCO3)＝eq \f(2.0×10－8,1.0×10－13)＝2.0×105。
4．(1)＋4 Fe(或铁) (2)Al2O3 ＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O、SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O (3)温度过高会导致TiOSO4 提前水解生成H2TiO3沉淀 (4)TiO2 ＋C＋2Cl2eq \(=====,\s\up7(900 ℃))TiCl4＋CO2 C与O2反应，O2的浓度减小使平衡向右移动；C与O2反应放热，温度升高，使平衡向右移动，促使反应顺利进行 (5)TiCl4＋(x＋2)H2OTiO2·xH2O＋4HCl
解析 (1)根据酸浸反应FeTiO3(s)＋2H2SO4(aq)===FeSO4(aq)＋TiOSO4(aq)＋2H2O(l)可知，FeTiO3中Fe元素化合价为＋2价，则Ti元素为＋4价。然后加入试剂A[Fe(或铁)]，发生反应2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋。(2)碱浸的目的是除去Al2O3和SiO2等杂质，发生反应的离子方程式为Al2O3 ＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O、SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O。(3)酸浸后需将溶液温度冷却至70 ℃左右，温度过高会导致TiOSO4 提前发生水解反应：TiOSO4(aq)＋2H2O(l)eq \(=====,\s\up7(90 ℃))H2TiO3(s)＋H2SO4(aq)，生成H2TiO3沉淀，导致最终产品吸收率过低。(4)该工业流程中氯化过程的化学方程式为TiO2 ＋C＋2Cl2 eq \(=====,\s\up7(900 ℃))TiCl4＋CO2；由于TiO2(s)＋2Cl2(g)TiCl4(l)＋O2(g)为可逆反应，且正反应为吸热反应，加入碳粉后，C与O2反应，O2的浓度减小使平衡向右移动；C与O2反应放热，温度升高，使平衡向右移动，促使反应顺利进行。(5)TiCl4极易水解生成纳米级TiO2·xH2O，该反应的化学方程式为TiCl4＋(x＋2)H2OTiO2·xH2O＋4HCl。
5．(2)过量的MnO2消耗了产生的Ba(OH)2 (3)蒸发 (4)H2O2 4.9 (5)Mn2＋＋HCOeq \\al(－,3)＋NH3·H2O===MnCO3↓＋NHeq \\al(＋,4)＋H2O
解析 (2)增大MnO2与BaS的投料比，S的量达到最大值后不再变化，说明过量的MnO2与S不反应；Ba(OH)2的量达到最大值后会减小，说明过量的MnO2与Ba(OH)2发生了反应，消耗了产生的Ba(OH)2。(3)滤液Ⅰ中还含有未结晶的Ba(OH)2，可循环使用，应将其导入蒸发操作中。(4)软锰矿中含有的Fe3O4、Al2O3杂质与硫酸反应生成FeSO4、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3，要除去Fe2＋，应先将Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入其他杂质，加入的氧化剂X可选用H2O2。因Fe(OH)3和Al(OH)3的组成相似，且Fe(OH)3的Ksp小于Al(OH)3的，因此当Al3＋完全沉淀时，Fe3＋也完全沉淀，由Ksp[Al(OH)3]＝1×10－32.3可知，c(Al3＋)·c3(OH－)＝1×10－32.3，由题意知，当c(Al3＋)≤1.0×10－5 ml·L－1时沉淀完全，可求得c(OH－)≥1×10－9.1 ml·L－1，即c(H＋)≤1×10－4.9 ml·L－1，pH的理论最小值为4.9。(5)由流程图提供的信息可知，碳化时的反应物有碳酸氢铵、氨水、Mn2＋，生成物有MnCO3，由此可写出该反应的离子方程式为Mn2＋＋HCOeq \\al(－,3)＋NH3·H2O===MnCO3↓＋NHeq \\al(＋,4)＋H2O。
6．(1)①增大反应速率，提高浸出率 ②MnO2＋4H＋＋2Fe2＋eq \(=====,\s\up7(△))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\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(b－335cd))×86.94,134a)×100%
解析 (1)①研磨软锰矿可增大固体与浓硫酸接触面积，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，反应的离子方程式为MnO2＋4H＋＋2Fe2＋eq \(=====,\s\up7(△))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Fe2＋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(5Na2C2O4＋2KMnO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Na2SO4＋K2SO4＋10CO2↑＋8H2O)，则与二氧化锰反应的草酸钠的物质的量为eq \f(b g,134 g·ml－1)－eq \f(c ml·L－1×d L,2)×5；MnO2＋Na2C2O4＋2H2SO4===Na2SO4＋MnSO4＋2CO2↑＋2H2O，则n(MnO2)＝n(Na2C2O4)＝eq \f(b g,134 g·ml－1)－eq \f(c ml·L－1×d L,2)×5，产品纯度为eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(b g,134 g·ml－1)－\f(c ml·L－1×d L,2)×5))×86.94 g·ml－1,a g)×100%＝eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(b－335cd))×86.94,134 a)×100%。氢氧化物
Fe(OH)3
Al(OH)3
Mg(OH)2
开始沉淀时的pH
1.9
3.4
9.1
完全沉淀时的pH
3.2
4.7
11.1
温度/℃
0
10
20
50
75
100
Li2CO3的
溶解度/g
1.539
1.406
1.329
1.181
0.866
0.728
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＋
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