(新高考)高考化学一轮复习课时练习第3章热点强化练4工艺流程中的热点金属(含解析)

热点强化练4　工艺流程中的热点金属

1．(2020·湖北武汉市高三模拟)三氯化钌是一种重要的贵金属化合物，广泛应用于氯碱工业中金属阳极钌涂层及加氢催化剂。

Ⅰ.三氯化钌的制备

将金属钌粉与氯化钠混合后，加入微量还原性淀粉，将温度升高到800～1 000 ℃，再往熔融的熔体中通入氯气，大部分钌粉转化为氯钌酸钠(Na2RuCl6)，再经过一系列化学工艺制备出三氯化钌。

(1)生成氯钌酸钠的化学方程式为____________________________________

___________________________________________________________________。

(2)升温阶段加入还原性淀粉的作用是________________________________

___________________________________________________________________。

Ⅱ.三氯化钌的回收

从废弃催化剂回收三氯化钌的一种工艺流程如下图所示：

回答下列问题：

(3)“氧化”时加H2SO4的目的_______________________________________

___________________________________________________________________。

(4)“吸收”过程中加入乙醇的作用是________________________________

___________________________________________________________________。

(5)可用氢还原重量法测定产品的纯度，其原理为2RuCl3＋3H2===2Ru＋6HCl。某同学对产品纯度进行测定，所得数据记录如下：

则产品的纯度为________(用百分数表示，保留两位有效数字)。

(6)钌及其化合物在合成工业上有广泛用途，下图是用钌(Ru)基催化剂催化合成甲酸的过程。每生成92 g液态HCOOH放出62.4 kJ的热量。

①根据图示写出该反应的热化学方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________。

②下列说法正确的是________。

a．图示中物质Ⅰ为该反应的催化剂

b．图示中参与循环的物质只有CO2和H2

c．反应的活化能为62.4 kJ·mol －1

答案　(1)Ru＋2Cl2＋2NaClNa2RuCl6

(2)保持还原性反应环境，防止金属钌被空气中氧气氧化

(3)NaClO在酸性环境下氧化性增强

(4)增加RuO4在溶液中的溶解性　(5)82%

(6)①H2(g)＋CO2(g)===HCOOH(l)　ΔH＝－31.2 kJ·mol－1　②a

解析　(1)根据题意反应物有Ru、NaCl以及氯气，产物有Na2RuCl6，该过程中Ru元素被氧化成＋4价，Cl元素被还原成－1价，根据电子守恒和原子守恒可得化学方程式为Ru＋2Cl2＋2NaClNa2RuCl6；

(2)空气中的氧气具有氧化性，升温阶段加入还原性淀粉可以保持还原性反应环境，防止金属钌被空气中氧气氧化；

(3)酸性环境下可以增强NaClO的氧化性；

(4)加入乙醇可以增大RuO4在溶液中的溶解度；

(5)根据三组实验数据得到的Ru单质的平均质量为＝0.500 g，根据方程式可知样品中RuCl3的质量为×207.5 g/mol＝1.027 2 g，则样品的纯度为×100%＝82%；

(6)①根据整个流程可知，CO2和H2为反应物，产物为HCOOH,92 g HCOOH的物质的量为＝2 mol，所以生成1 mol液体HCOOH放出31.2 kJ能量，热化学方程式为H2(g)＋CO2(g)===HCOOH(l)　ΔH＝－31.2 kJ·mol－1；

②据图可知物质Ⅰ虽然参与整个过程，但整个反应前后没有变化，且反应从物质Ⅰ和氢气的反应开始，所以为该反应的催化剂，故a正确；据图可知催化剂虽然整个过程前后质量和化学性质没有变化，但也参与了整个循环，故b错误；每生成2 mol HCOOH放出62.4 kJ的能量，据此可知反应物和生成物的能量之差，不能确定反应的活化能，故c错误；综上所述选a。

2．(2020·湖北黄冈高三测试)氧化铬绿(Cr2O3)的性质独特，在冶金、颜料等领域有着不可替代的地位。一种利用淀粉水热还原铬酸钠制备氧化铬绿的工艺流程如下：

已知：①向含少量Na2CO3的铬酸钠碱性溶液中通入CO2可制得不同碳化率的铬酸钠碳化母液；

②“还原”反应剧烈放热，可制得Cr(OH)3浆料。

(1)该工艺中“还原”反应最初使用的是蔗糖或甲醛，后来改用价格低廉的淀粉。请写出甲醛(HCHO)与铬酸钠(Na2CrO4)溶液反应的离子方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(2)将混合均匀的料液加入反应釜，密闭搅拌，恒温发生“还原”反应，下列有关说法错误的是________(填字母)。

A．该反应无需加热即可进行

B．必要时可使用冷却水进行温度控制

C．铬酸钠可适当过量，使淀粉充分反应

D．应建造废水回收池，回收含铬废水

(3)测得反应完成后在不同恒温温度、不同碳化率下Cr(Ⅵ)还原率如下图。实际生产过程中Cr(Ⅵ)还原率可高达99.5%以上，“还原”阶段采用的最佳反应条件为_______________________________________________________________

___________________________________________________________________。

(4)滤液中所含溶质为____________________________________________。

该水热法制备氧化铬绿工艺的优点有______________________________

_____________________________________、_______________________________

_______________________(请写出两条)。

(5)由水热法制备的氢氧化铬为无定型氢氧化铬[Cr(OH)3·nH2O]。将洗涤并干燥后的氢氧化铬滤饼充分煅烧，质量损失与固体残留质量比为9∶19，经计算得出n＝________。

(6)重铬酸钠(Na2Cr2O7·H2O)与硫酸铵热分解法也是一种生产氧化铬绿的方法，生产过程中产生的气体对环境无害，其反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________。

答案　(1)4CrO＋3HCHO＋4H2O===4Cr(OH)3↓＋2OH－＋3CO

(2)AC　(3)碳化率40%、恒温240 ℃

(4)Na2CO3(或NaHCO3或Na2CO3、NaHCO3)　工艺清洁、原料价格低廉、设备要求低、副产物碳酸盐可用于铬酸钠碳化母液的制备　无废气废渣排放、废水可回收利用、流程短等　(5)0.5

(6)Na2Cr2O7·H2O＋(NH4)2SO4Cr2O3＋Na2SO4＋5H2O＋N2↑

解析　(1)HCHO中碳元素化合价为0价，该反应在碱性环境下进行，最终生成为有碳酸钠、Cr(OH)3等，根据化合价升降守恒、电荷守恒以及原子守恒可知其反应的离子方程式为：4CrO＋3HCHO＋4H2O===4Cr(OH)3↓＋2OH－＋3CO；(2)该反应虽然为放热反应，但不一定全过程都不需要加热，如燃烧反应为放热反应，反应开始需要加热，故A说法错误；因该反应放热剧烈，若温度过高，Cr(OH)3可能会发生分解，会影响最终产品质量，因此可在必要时可使用冷却水进行温度控制，故B说法正确；为保证原料的充分利用，淀粉应适当过量，使铬酸钠充分反应，故C说法错误；铬为重金属元素，直接排放至环境中会污染水资源，因此应建造废水回收池，回收含铬废水，故D说法正确；(3)由图可知，在碳化率为40%时，还原率较高，在温度为240 ℃时，还原率达到接近100%，再升高温度对于还原率的影响不大，故最佳反应条件为：碳化率40%、恒温240 ℃；(4)HCHO的氧化产物为＋4价碳的化合物，因在碱性条件下，则溶质为：Na2CO3(或NaHCO3或Na2CO3、NaHCO3)；水热法制备工艺的优点有：工艺清洁、原料价格低廉、设备要求低、副产物碳酸盐可用于铬酸钠碳化母液的制备、无废气废渣排放、废水可回收利用、流程短等；(5)加热过程中相关物质的转化关系式为：

2Cr(OH)3·nH2O～Cr2O3～(3＋2n)H2O

152   18×(3＋2n)

19     9

＝，解得n＝0.5；

(6)重铬酸钠具有强氧化性，硫酸铵具有还原性，生产过程中产生的气体对环境无害，故N元素转化为N2，二者发生氧化还原反应生成Cr2O3、N2、Na2SO4、H2O，根据氧化还原反应得失电子守恒和原子守恒可知该反应方程式为：Na2Cr2O7·H2O＋(NH4)2SO4Cr2O3＋Na2SO4＋5H2O＋N2↑。

3．(2020·河北保定市高三二模)金属铋在自然界中的量极少，用途非常广泛，通常以辉铋矿为原料提取金属铋，工艺流程如图所示：

已知：①辉铋矿主要成分是Bi2S3，还含少量Bi2O3、SiO2、铁的氧化物和硫化物等。

②Bi2O3能溶于酸，NaBiO3不溶于水。

③常温下，Ksp[Fe(OH)3]＝4×10－38，Ksp[Bi(OH)3]＝4×10－30；Ksp[Fe(OH)2]＝8.0×10－16；

回答下列问题：

(1)写出酸浸氧化时Bi2S3被氧化成硫单质的化学方程式

_______________________________________________________________。

(2)滤渣1的成分为________。

(3)除杂剂的作用a.调节溶液pH，b________，写出一种能提高产物产量的除杂剂________。

(4)滤液2还可用来制备NaBiO3，可向滤液2中加入NaOH和NaClO溶液制取NaBiO3，写出该反应的离子方程式___________________________________________________________________。

答案　(1)Bi2S3＋6HCl＋NaClO3===2BiCl3＋NaCl＋3S↓＋3H2O

(2)S和SiO2　(3)除去杂质Fe3＋　Bi2O3或Bi(OH)3

(4)Na＋＋Bi3＋＋ClO－＋4OH－===NaBiO3↓＋Cl－＋2H2O

解析　辉铋矿酸浸氧化后过滤，得到滤渣1为不溶于酸的二氧化硅和Bi2S3被氧化后生成的硫单质，滤液1中含有BiCl3、NaCl，FeCl3等，为了避免引入新杂质，则加入的除杂试剂可以是Bi2O3或Bi(OH)3，目的是调节pH使铁离子转化成氢氧化铁除去，滤液2中的主要成分为氯化钠和BiCl3，经电解得到铋单质。

(1)酸浸氧化时Bi2S3被氧化成硫单质的化学方程式为Bi2S3＋6HCl＋NaClO3===2BiCl3＋NaCl＋3S↓＋3H2O；(2)滤渣1的成分为S和SiO2；(3)可用Bi2O3或Bi(OH)3调节pH使铁离子转化成氢氧化铁沉淀除去；(4)滤液2中的主要成分为氯化钠和BiCl3，加入NaOH和NaClO溶液制取NaBiO3时发生反应的离子方程式为Na＋＋Bi3＋＋ClO－＋4OH－===NaBiO3↓＋Cl－＋2H2O。

4.(2021·1月重庆市学业水平选择考适应性测试，15)碳酸锶(SrCO3)是一种重要的工业原料，广泛用于生产锶铁氧体磁性材料。一种以菱锶矿(含80～90% SrCO3，少量MgCO3、CaCO3、BaCO3等)制备高纯碳酸锶的工艺流程如下：

(1)元素Sr位于元素周期表第________周期第________族。

(2)菱锶矿、焦炭混合粉碎的目的是____________________________。

(3)“立窑煅烧”中SrCO3与焦炭反应的化学方程式为_________________________________________________________

_________________________________________________________。

进行煅烧反应的立窑衬里应选择________(填“石英砂砖”或“碱性耐火砖”)。

(4)“浸取”中用热水浸取而不用冷水的原因是______________________

____________________________________________________________；

滤渣1含有焦炭、Ca(OH)2和________。

(5)“沉锶”中反应的化学方程式为____________________________

__________________________________________________________。

(6)锶铁氧体是由锶和铁的氧化物组成的复合磁性材料。某种锶铁氧体(xSrO·yFe2O3)中Sr与Fe的质量比为0.13，则为________(取整数)。

答案　(1)五　ⅡA　(2)增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率　(3)SrCO3＋CSrO＋2CO↑　碱性耐火砖

(4)Sr(OH)2的溶解度随温度升高而增大，提高SrO的浸出率　MgO

(5)Sr(OH)2＋NH4HCO3===SrCO3↓＋NH3·H2O＋H2O

(6) 6

解析　(1)Sr位于周期表第五周期第ⅡA族。(2)粉碎是为了增大反应物的接触面积，加快反应速率，提高原料利用率。(3)SrCO3与C反应，相当于SrCO3分解生成SrO和CO2，C与CO2反应，有利于SrCO3的分解。煅烧应选择碱性耐火砖，因为石英砂砖中含有SiO2，在高温下能与SrO反应生成SrSiO3。(4)煅烧后得到MgO、CaO、SrO、BaO，用热水溶解，由Sr(OH)2溶解度可知，热水浸取有利于Sr(OH)2的溶解，提高浸出率，同时减小了Ca(OH)2的溶解度，所以滤渣1中有Ca(OH)2，MgO不溶于水，滤渣1中还有MgO。(5)Sr(OH)2和NH4HCO3反应生成SrCO3，相当于HCO与OH－反应，Sr(OH)2中另一个OH－正好与NH反应。(6)n(Fe2O3)∶n(SrO) ＝∶≈6。

5．(2020·河南等省五岳4月联考)金属钛在航天、潜海和医疗方面应用广泛。以钛铁矿[主要成分为钛酸亚铁(FeTiO3)，含少量Fe2O3]为原料制备钛的工艺流程如图所示。

(1)步骤②、③、④中，均需进行的操作是________(填操作名称)。

(2)滤液1中钛元素以TiO2＋形式存在，步骤①中生成TiO2＋的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________，

硫酸质量分数对钛、铁浸出率的影响如图所示，据此判断，酸浸时所加硫酸的质量分数应为________(填范围)。

(3)请结合离子方程式解释步骤④中加热水的原因：________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(4)电解法制备Ti的装置是以石墨为阳极，TiO2为阴极，熔融CaO为电解质。Ti在________(填“阳极”或“阴极”)生成，________(填“能”或“不能”)将熔融CaO换成石灰乳。

答案　(1)过滤　(2)FeTiO3＋2H2SO4FeSO4＋TiOSO4＋2H2O　80%～85%　(3)TiO2＋＋2H2OH2TiO3＋2H＋，水解反应是吸热反应，用热水促进平衡向正反应方向移动　(4)阴极　不能

解析　(1)步骤②、③、④中，均需进行的操作是过滤；(2)反应物为钛铁矿，生成物为FeSO4、TiOSO4及H2O，化学方程式为FeTiO3＋2H2SO4FeSO4＋TiOSO4＋2H2O；根据图像可知硫酸质量分数在80%～85%之间时浸出率最大；(3)TiO2＋在水溶液中发生水解TiO2＋＋2H2OH2TiO3＋2H＋，水解反应是吸热反应，用热水促进平衡向正反应方向移动，生成H2TiO3; (4)由TiO2生成Ti，Ti元素化合价降低发生还原反应，电解池中阴极得电子发生还原反应；若换成石灰乳，石灰乳中有水，阴极将产生氢气，无法得到金属钛，所以不能将熔融CaO换成石灰乳。