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2023届高考化学二轮复习题型3无机化工生产流程题突破练含解析
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这是一份2023届高考化学二轮复习题型3无机化工生产流程题突破练含解析，共42页。
题型3:无机化工生产流程题
原料预处理
【典例】(1)(2022·海南等级考节选)胆矾(CuSO4·5H2O)是一种重要化工原料,某研究小组以生锈的铜屑为原料[主要成分是Cu,含有少量的油污、CuO、CuCO3、Cu(OH)2]制备胆矾。流程如图。
步骤①的目的是________________________________。
(2)(2022·河北等级考节选)以焙烧黄铁矿FeS2(杂质为石英等)产生的红渣为原料制备铵铁蓝Fe(NH4)Fe(CN)6颜料。工艺流程如下:
黄铁矿研细的目的是 _____________________________________________。
(3)(2022·辽宁选择考节选)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
为提高焙烧效率,可采取的措施为__。
a.进一步粉碎矿石 b.鼓入适当过量的空气
c.降低焙烧温度
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
含有少量的油污
原料表面含有少量的油污,Na2CO3溶液呈碱性,可以除去原料表面的油污
研细
将块状矿石研细后,增大其与液体的接触面积,从而可以加快反应速率,提高黄铁矿的利用率
提高焙烧效率
提高焙烧效率可以从加快反应速率的角度分析,如增大接触面积、升温、增大反应物的浓度等
【失分警示】(1)注意点只关注无机物“CuO”等,忽略“油污”或忽略纯碱溶液的碱性,从而错答第(1)问;
(2)考虑问题不全面,只考虑研细对速率的影响,忽略对矿石利用率的影响;
(3)不能将“提高效率”与加快反应速率联系在一起,第(3)问错选或漏选。
原料的预处理及目的
1.研磨:将固体物质粉碎,增大固体与液体或气体间接触面积,加快反应速率,提高固体的利用率。
2.灼烧:除去可燃性杂质或使原料初步转化。
3.煅烧:改变结构,使一些物质能溶解,杂质在高温下氧化分解。
4.浸取
(1)酸浸:溶解,除去氧化物(膜),调节pH促进沉淀、抑制水解。
(2)碱浸:去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅,调节pH促进沉淀、抑制水解。
(3)水浸:与水反应或溶解。
5.搅拌:加快反应(溶解)速率,使反应充分进行,提高原料利用率。
1.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(主要含有SrCO3及少量MgCO3、CaCO3、BaCO3等)制备高纯碳酸锶的工艺流程如图所示。
向“立窑煅烧”中投料前,将菱锶矿、焦炭混合粉碎的目的是____________________________________________(任写两点)。
2.硫酸锰是一种重要的化工中间体。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿(主要成分为MnO2等锰的氧化物)为原料制备硫酸锰的工艺流程如图:
已知:“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、 MgO。“混合焙烧”的主要目的是 ______________________________________________。
3.氧化锌是一种白色粉末,可溶于酸、氢氧化钠溶液、氨水和氨水铵盐缓冲溶液中,它在橡胶、油漆涂料、化工、医疗及食品等行业有着广泛应用。一种由含锌烟灰(含有ZnO、CuO、PbO、FeO、Fe2O3、MnO、MnO2、CdO等)制备氧化锌的工艺流程如图所示:
已知:i)二价金属氧化物分别与氨络合,Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)能与氨络合生成[Fe(NH3)2]2+、[Mn(NH3)2]2+;
ii)pH=11.6,Eh=0.70V时,Fe(Ⅱ)转化成FeOOH,Mn(Ⅱ)转化成α-MnO2。“氧化预处理”时,加入Ca(ClO)2溶液的目的为___________________________________。
化工生产中反应条件的控制
【典例】(1)(2022·山东等级考节选)工业上以氟磷灰石[Ca5F(PO4)3,含SiO2
等杂质]为原料生产磷酸和石膏,工艺流程如右:
回答下列问题:
SO42-浓度(以SO3%计)在一定范围时,石膏存在形式与温度、H3PO4浓度(以P2O5%计)的关系如图甲所示。酸解后,在所得100 ℃、P2O5%为45的混合体系中,石膏存在形式为________________(填化学式);洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水,原因是__________________________________;一定温度下,石膏存在形式与溶液中P2O5%和SO3%的关系如图乙所示,下列条件能实现酸解所得石膏结晶转化的是________(填标号)。
A.65℃、P2O5%=15、SO3%=15
B.80℃、P2O5%=10、SO3%=20
C.65℃、P2O5%=10、SO3%=30
D.80℃、P2O5%=10、SO3%=10
(2)(2022·辽宁选择考节选)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
“酸浸”中过量浓盐酸的作用为①充分浸出Bi3+和Mn2+;②________________。
(3)(2021·山东等级考节选)工业上以铬铁矿(FeCr2O4,含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)的工艺流程如图。回答下列问题:
矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示。当溶液中可溶组分浓度c≤1.0×10-5 mol·L-1时,可认为已除尽。
中和时pH的理论范围为__________________;酸化的目的是_______________。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
硫酸溶液而不使用水
两液体的区别为硫酸溶液中SO42-的浓度大,可减小CaSO4的溶解
石膏结晶转化
由图乙信息可知,65 ℃时,位于65 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于65 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在;80 ℃时,位于80 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于80 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在
“酸浸”中过量浓盐酸
“酸浸”后溶液中含有的离子主要为Bi3+、Fe3+、Mn2+,取滤液进行转化,故要防止金属离子水解生成沉淀
酸化
降低溶液的pH,由图像知降低pH可使CrO42-转化为Cr2O72-,提高产率
【失分警示】(1)不理解图乙的含义,从而在第(1)问中错选;
(2)不能充分利用工业流程图,分析制备原理“利用酸浸后的滤液制备产品”,从而错答第(2)问;
(3)只关注沉淀的生成,忽略沉淀“H2SiO3”的再溶解,错误选择pH范围。
反应条件控制
1.控制pH
控制溶液的酸碱性使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点:①能与H+反应,使溶液pH增大;②不引入新杂质。
2.控制温度
(1)控制低温的目的
①防止某反应物及目标产物分解,如H2O2、AgNO3、HNO3(浓)等;
②防止某反应物或目标产物挥发,如盐酸、醋酸、硝酸和氨水等;
③抑制物质的水解,如Fe3+、Al3+、Cu2+、S2-;
④反应放热,低温使反应正向移动;
⑤避免副反应的发生:如乙醇的消去反应需迅速升温至170℃;
⑥确保催化剂的催化活性,兼顾速率和转化率,追求经济效益;
⑦沸点较高物质的液化收集:用冰水浴冷凝并收集SO3;
⑧若转化率变化不大,高温下浪费能源。
(2)加热的目的
①加速某固体的溶解;
②减少气体生成物的溶解并加速逸出;
③一般加快反应速率;
④使平衡向需要的方向移动;
⑤趁热过滤,防止某物质降温时析出而损失或带入新杂质。
(3)控制某温度范围的目的
从温度过高或温度过低会导致的后果两方面作答。
3.控制压强
(1)减压
减压过滤,加快过滤速率;减压蒸馏,降低蒸馏温度,防止产品分解;减压蒸发,降低蒸发温度,防止物质分解或失去结晶水。
(2)加压
加快速率,平衡移动。
1.1868年门捷列夫发现元素周期律,距今已有154年。他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,其中Ge化合价为+4)制取高纯度锗,其工艺流程如图所示。请回答:
(1)粉碎精硫锗矿的目的是__________________________。800 ℃,使精硫锗矿在N2氛围中升华的原因是__________________________________________。
(2)酸浸时温度不能过高的原因是___________________________________;
酸浸后得到粗GeO2的操作为_____________________________________。
2.磷酸钒锂[Li3V2(PO4)3]是常用锂电极材料的填充物,某工业利用钒渣(FeO·V2O3,含Al2O3、SiO2等杂质)和β-锂辉矿(LiAlSi2O6,含少量MgO、CaCO3等杂质)制备该物质的工艺流程如图所示:
已知:
①V2O5微溶于水,具有强氧化性,属于两性氧化物;草酸具有强还原性,受热易分解;
②向Na3VO4溶液(加热生成VO3-)中加酸,不同pH对应的主要存在形式如下表:
pH
≥13
10.6~12
约8.4
3~8
约2
<1
存在形式
VO43-
V2O74-
V3O93-
V10O286-
V2O5
VO2+
回答下列问题:
(1)“沉钒”时,加入KClO3不能过量的原因是______________________________,
加硫酸最终需要控制pH约为____________。
(2)用草酸溶解“滤渣Ⅱ”时,需要水浴加热控制70 ℃左右,滤渣Ⅱ溶解的化学方程式为________________________,温度超过70 ℃滤渣Ⅱ溶解速率反而减慢的可能原因是 ________________________________________________________。
产品的分离与提纯
【典例】(1)(2022·广东选择考节选)稀土(RE)包括镧、钇等元素,是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理,一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下:
已知:月桂酸(C11H23COOH)熔点为44℃;月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。
“操作X”的过程为先__________,再固液分离。
(2)(2022·河北选择考节选)以焙烧黄铁矿FeS2(杂质为石英等)产生的红渣为原料制备铵铁蓝Fe(NH4)Fe(CN)6颜料。工艺流程如下:
回答下列问题:
工序①的名称为____________________________________________________,
所得母液循环使用。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
月桂酸熔点为44 ℃、难溶于水
先冷却结晶得到月桂酸,再过滤与溶液分离
由流程可知该操作是将可溶性固体从溶液中分离出来后,再加水溶解,故操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤
【失分警示】(1)不能充分发掘题干已知月桂酸的性质,错误选择分离方法;
(2)不能根据流程图中工序①前后的状态得到工序操作的目的,从而错误回答第(2)问的操作方法。
产品的分离提纯
1.对于固体产品的分离与提纯,一般可采取的操作有蒸发结晶或降温结晶、重结晶、灼烧、升华、过滤、洗涤等;
(1)结晶:
①蒸发结晶,趁热过滤:得到溶解度受温度影响小的溶质,如食盐水蒸发结晶得NaCl;
②蒸发浓缩,冷却结晶:得到溶解度受温度影响大的溶质,如胆矾结晶;
③在HCl气流中蒸发结晶。如:CuCl2、AlCl3、FeCl3等。
(2)过滤:操作要点(一贴二低三靠);玻璃仪器(漏斗、玻璃棒、烧杯)。
(3)灼烧:固体在坩埚中进行加热,配套实验仪器还有泥三角和三脚架。
2.对于液体产品的分离与提纯,一般可采取的操作有蒸馏、分馏、萃取、分液、盐析、渗析等。
(1)萃取分液:萃取剂的要求。
(2)蒸馏或分馏:冷凝管的选择(装置、仪器、冷却水的方向等)。
1.由硫铁矿烧渣(主要成分:Fe3O4、Fe2O3、Al2O3和FeO)得到绿矾(FeSO4·7H2O)的流程如图:
已知:FeS2难溶于水。且能还原Fe3+,硫元素被氧化成SO42-。
操作Ⅲ包含3个基本的实验操作,依次是________________________________。
制得的绿矾需要减压烘干的原因是________________________________。
2.某化工厂利用废旧锂离子电池的正极材料(含有LiCoO2以及少量Ca、Mg、Fe、Al等)制备Co2O3和Li2CO3的工艺流程如图:
已知:常温下Li2CO3的溶解度为1.3 g,Li2CO3的溶解度随温度的升高而逐渐减小。
为了获得更多更纯的Li2CO3固体,“系列操作”依次为________________________和干燥。
陌生情境下化学(离子)方程式的书写
【典例】(1)(2022·全国甲卷节选)硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料,在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3,杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如图:
已知:Fe3+的氢氧化物溶度积常数为4.0×10-38。
回答下列问题:
向80~90 ℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤,滤渣②中有MnO2,该步反应的离子方程式为________________________________。
(2)(2022·河北选择考节选)以焙烧黄铁矿FeS2(杂质为石英等)产生的红渣为原料制备铵铁蓝Fe(NH4)Fe(CN)6颜料。工艺流程如下:
回答下列问题:
沉铁工序产生的白色沉淀Fe(NH4)2Fe(CN)6中Fe的化合价为________,氧化工序发生反应的离子方程式为__________________________________。
(3)(2022·江苏选择考节选)实验室以二氧化铈(CeO2)废渣为原料制备Cl-含量少的Ce2(CO3)3,其部分实验过程如图:
“酸浸”时CeO2与H2O2反应生成Ce3+并放出O2,该反应的离子方程式为____________________________。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
滤渣②中有MnO2
KMnO4转化为MnO2发生还原反应,则滤液中具有还原性的微粒(Fe2+)发生氧化反应,根据溶度积常数推算出,pH=5的生成Fe(OH)3沉淀
氢氧化物溶度积常数为4.0×10-38
铵铁蓝
Fe(NH4)Fe(CN)6
白色沉淀
Fe(NH4)2Fe(CN)6
根据Fe(NH4)2Fe(CN)6生成Fe(NH4)Fe(CN)6去掉一个NH4+,分析得Fe的化合价一共升高1价,而ClO3-生成Cl-,根据电子、电荷、原子守恒配平离子方程式
“酸浸”
溶液显酸性,根据电荷守恒配平离子方程式时使用H+
【失分警示】(1)不能根据Fe(OH)3的溶度积常数判断,pH=5时生成Fe(OH)3沉淀;
(2)不能根据价键规律判断铁的化合价,无法根据电子守恒配平离子方程式;
(3)忽略“酸浸”,使用OH-配平离子方程式。
陌生情境中氧化还原型方程式的书写步骤
步骤1:阅读题给文字信息或流程图中信息,确定氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物及溶液酸碱性问题。
步骤2:按“氧化剂+还原剂→还原产物+氧化产物”写出方程式,根据得失电子守恒配平上述四项物质。
步骤3:根据题给溶液性质,依据原子守恒和电荷守恒确定用酸、碱和水配平方程式。
步骤4:检查所写陌生方程式是否正确。
1.二氧化铈(CeO2)具有较强的氧化性,是一种应用非常广泛的稀土氧化物。以氟碳铈矿(主要含CeFCO3、BaO等)为原料制备CeO2的一种工艺流程如图所示。
回答下列问题:
(1)“氧化焙烧”后,Ce元素转化为CeO2和CeF4。写出氧化焙烧的化学方程式:__。
(2)“系列操作”包含以下几个过程:
已知:Ce3+不能溶于有机物TBP;CeF3+能溶于有机物TBP,且存在反应CeF3++TBPCeTBP4++F-。
“滤液A”中加入有机物TBP后的分离方法是__________________,“有机层B”中发生反应的离子方程式为____________________________________。
2.Pd/Al2O3是常见的汽车尾气催化剂。一种从废Pd/Al2O3纳米催化剂(主要成分及含量:Pd 0.3%,γ-Al2O3 92.8%,其他杂质6.9%)中回收金属Pd的工艺如图:
回答下列问题:
(1)“酸浸”时,Pd转化为PdCl42-,其离子方程式为 __________________。
(2)“沉淀”时,[Pd(NH3)4]2+转化为[Pd(NH3)2]Cl2沉淀,其化学方程式为__。
水溶液中离子平衡的计算
【典例】(1)(2022·广东选择考节选)稀土(RE)包括镧、钇等元素,是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理,一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下:
已知:(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8。
“过滤2”后,滤饼中检测不到Mg元素,滤液2中Mg2+浓度为2.7 g·L-1。为尽可能多地提取RE3+,可提高月桂酸钠的加入量,但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于________mol·L-1(保留两位有效数字)。
(2)(2022·山东等级考节选)工业上以氟磷灰石[Ca5F(PO4)3,含SiO2等杂质]为原料生产磷酸和石膏,工艺流程如下:
回答下列问题:
酸解时有HF生成,氢氟酸与SiO2反应生成二元强酸H2SiF6。部分盐的溶度积常数见下表。精制Ⅰ中,按物质的量之比n(Na2CO3)∶n(SiF62-)=1∶1加入Na2CO3脱氟,充分反应后,c(Na+)=________mol·L-1;再分批加入一定量的BaCO3,首先转化为沉淀的离子是________。
物质
BaSiF6
Na2SiF6
CaSO4
BaSO4
Ksp
1.0×10-6
4.0×10-6
9.0×10-4
1.0×10-10
(3)(2022·湖南选择考节选) 2021年我国制氢量位居世界第一,煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题:
某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2,则该溶液的pH=________(该温度下H2CO3的Ka1=4.6×10-7,Ka2=5.0×10-11)。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
尽可能多地提取RE3+
要加入月桂酸钠后只生成(C11H23COO)3RE,
而不产生(C11H23COO)2Mg,即c(Mg2+)·c2(C11H23COO-)≤
Ksp[(C11H23COO)2Mg]
首先转化为沉淀
即该离子刚好沉淀时,需要Ba2+的浓度最小,根据离子浓度和Ksp进行计算
c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2
第二步电离平衡常数表达式中含有这两种离子,故c(H+)=c(HCO3-)c(CO32-)×Ka2=2×5.0×10-11 mol·L-1=1.0×10-10 mol·L-1
【失分警示】(1)不能理解“尽可能多地提取RE3+”即不能生成(C11H23COO)2Mg沉淀,无法回答第(1)问;
(2)不能充分发掘题干信息从而无法根据Ksp计算回答第(2)问;
(3)忽略“脱氟”后即为Na2SiF6的饱和溶液,从而不能根据Na2SiF6的溶度积Ksp求算c(Na+)、c(SiF62-)。
水溶液中离子平衡的计算
1.计算的依据——四大常数
(1)类型
名称
水的离子积常数
弱电解质电离平衡常数
盐的水解平衡常数
溶度积常数
符号
KW
Ka或Kb
Kh
Ksp
(2)相关规律
①平衡常数都只与温度有关,温度不变,平衡常数不变。
②Qc与K的关系——二者表达式相同
若Qc
若Qc>K,平衡逆向移动。
③Ka(或Kb)、Kh、KW三者的关系式:
一元弱酸强碱盐
一元强酸弱碱盐
二元弱酸强碱盐
Kh=Kw/Ka
Kh=Kw/Kb
Kh1=Kw/Ka2
Kh2=Kw/Ka1
2.溶度积计算的几种类型
考查角度
计算技巧
判断沉淀的生成或沉淀是否完全
①把离子浓度数据代入Ksp表达式得Q,若Q>Ksp,则有沉淀生成
②利用Ksp的数值计算某一离子浓度,若该离子浓度小于10-5 mol·L-1,则该离子沉淀完全
常温下,计算氢氧化物沉淀开始和沉淀完全时的pH
①根据氢氧化物的Ksp,先计算初始浓度溶液中c(OH-),再求得溶液的pH
②金属阳离子沉淀完全时的离子浓度为10-5 mol·L-1,依据Ksp可计算金属阳离子沉淀完全时溶液中的c(OH-),进而求得pH
计算沉淀转化反应的平衡常数,并判断沉淀转化的程度
依据沉淀的转化反应和Ksp,计算该反应的平衡常数,K值越大,转化反应越易进行,转化程度越大
沉淀先后的计算与判断
①若沉淀类型相同,则Ksp小的化合物先沉淀;
②若沉淀类型不同,则需要根据Ksp计算出沉淀时所需离子浓度,所需离子浓度小的先沉淀
1.工业以炼钢污泥(主要成分为铁的氧化物,还含有CaO、SiO2、C等杂质)为原料制备脱硫剂活性Fe2O3·H2O,并用该脱硫剂处理沼气中H2S的流程如下:
(1)“除杂”:若使还原后的滤液中Ca2+完全沉淀(离子浓度小于10-6 mol·L-1),则滤液中c(F-)需大于________________;若溶液的pH偏低,将会导致CaF2沉淀不完全,其原因是________________________ [Ksp(CaF2)=1.44×10-10,Ka(HF)=3.53×10-4]。
(2)“沉铁”:生成FeCO3沉淀的离子方程式为 ______________________________
_______________________________。
2.锌电解阳极泥(主要成分为MnO2、PbSO4和ZnO,还有少量锰铅氧化物Pb2Mn8O16和Ag)是冶锌过程中产生的废渣,一种回收锌电解阳极泥中金属元素锌、锰、铅和银的工艺如图。回答下列问题:
加入Na2CO3溶液的目的是将PbSO4转化为PbCO3,Na2CO3溶液的最小浓度为________mol·L-1(保留两位小数)。判断沉淀转化能否彻底进行并说明理由
________________________________________。[已知:20 ℃时Ksp(PbSO4)=
1.6×10-8 mol2·L-2,Ksp(PbCO3)=7.4×10-14 mol2·L-2,1.262≈1.6]
3.钼酸锂(Li2MoO4)的外观为白色结晶粉末,易溶于水,难溶于有机溶剂,用于电极材料、金属陶瓷的制作。工业上以某精选钼矿(主要含MoS2,还含有少量CuFeS2)为原料制备Li2MoO4,其工艺流程如图:
回答下列问题:
钼酸铅(PbMoO4)难溶于水,其Ksp=a,常用作钼的质量检定。在100 mL 0.1 mol·L-1 Li2MoO4溶液中,加入100 mL b mol·L-1 Pb(NO3)2溶液,使MoO42-恰好沉淀完全,即c(MoO42-)=1×10-5 mol·L-1,则b=________(忽略混合时溶液体积的变化)。
1.三氧化二铬(Cr2O3)可用作着色剂、分析试剂、催化剂等。一种利用铬铁矿(主要成分为FeO、Cr2O3,还含有Al2O3、SiO2等杂质)清洁生产Cr2O3的工艺流程如图:
已知:①铬铁矿的成分及含量(以氧化物形式表示):
成分
Cr2O3
FeO
SiO2
Al2O3
其他
质量分数
45.0%
32.5%
11.5%
10.8%
0.2%
②金属离子开始沉淀与完全沉淀的pH如下:
金属离子
Fe3+
Al3+
Cr3+
Fe2+
开始沉淀的pH
2.7
3.4
5.0
7.5
完全沉淀的pH
3.7
4.9
5.9
9.7
③铬酸酐(CrO3)常用作氧化剂;
④铁铵矾的化学式为NH4Fe(SO4)2·12H2O,在pH=3时完全沉淀。回答下列问题:
(1)“氧化酸浸”前,常将铬铁矿粉碎,目的是________________________________, 滤渣1的成分是_____________________________________。
(2)铬酸酐的作用是____________________,“氧化酸浸”时FeO·Cr2O3反应的化学方程式是__________________________________________________________。
(3)“沉淀”时,应调节pH不低于________,滤液1的成分主要是______________________(填化学式)。
(4)“除铝”一步的离子方程式是 ______________________________________。
(5)若处理1 kg铬铁矿,至少需要消耗铬酸酐的质量是________g。(保留一位小数)
2.电解锰渣主要含MnSO4、MnO2、PbSO4、CaSO4及少量的SiO2、Fe2(SO4)3。利用电解锰渣回收铅的工艺如图所示:
已知:Ksp(PbSO4)=2.6×10-8,Ksp(PbCO3)=7.4×10-14,Ksp(CaCO3)=2.8×10-9;
回答下列问题:
(1)“还原酸浸”时,MnO2被还原的离子方程式为 ____________________。
(2)“浸出液”含有的盐类主要有MnSO4和少量的CaSO4、____________,经除杂后得到精制MnSO4溶液。图为MnSO4的溶解度随温度的变化曲线,从精制MnSO4溶液中获得MnSO4晶体的方法为___________________________。
(3)“浸铅”反应PbSO4+2CH3COO-Pb(CH3COO)2+SO42-能发生的原因是__
______________________________________________________。
(4)若“浸铅”后所得溶液中c(Pb2+)=c(Ca2+)=0.1 mol·L-1,为实现铅与钙的分离,应控制“沉铅”溶液中c(CO32-)的范围为____________mol·L-1。(当溶液中金属离子浓度小于10-5 mol·L-1,可以认为该离子沉淀完全)
(5)“沉铅”时,若用同浓度的(NH4)2CO3溶液代替NH4HCO3溶液,会生成Pb2(OH)2CO3。原因是 ______________________________________。
(6)“沉铅”的主要副产物除CH3COONH4外,还有____________。
3.一种从钼镍废催化剂(主要含MoS2、NiS、Al2O3、SiO2以及C)中回收镍和钼的工艺流程如图:
回答下列问题:
(1)写出“焙烧”时产生的CO2的电子式:______________。
(2)“焙烧”时,MoS2首先转化为MoO3,写出该反应的化学方程式:__。
(3)写出滤液中溶质的一种工业用途: ____________________;
“净化2”时,发生反应的离子方程式为 ____________________。
(4)已知常温下,Ksp(CaMoO4)=1.46×10-8;Ksp(CaCO3)=3.36×10-9,由CaMoO4制备Na2MoO4的方法是 ______________________________________。
(5)已知NiO是不溶于水的碱性氧化物,由浸渣“除铝”所用的试剂是______________;“酸溶”得到的溶液制备NiSO4·7H2O的操作方法是________________、过滤、洗涤、干燥。
(6)若废催化剂中含160 g MoS2,上述工艺中获得CaMoO4的质量为190 g,则CaMoO4的产率为____________________________________。
4.以钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有MgO、CaO、SiO2等杂质)为原料合成锂离子电池的电极材料钛酸锂(Li4Ti5O12)和铁红(Fe2O3)的工艺流程如图:
回答下列问题:
(1)已知FeTiO3与盐酸反应后有TiOCl2生成,写出该反应的化学方程式:__。
(2)“酸浸”过程中,用不同溶剂溶解HCl,图中a为HCl—CH3OH(无水)、b为HCl—H2O(3 mol·L-1盐酸)、c为HCl—CH3OH—H2O(H2O占体积比50%);图甲表示在35 ℃时铁和钛的浸出率随时间的变化,图乙表示铁和钛的浸出率随温度的变化:
根据上图,可知“酸浸”时适宜选择的溶剂为________(填“a”“b”或“c”)、温度为________;在HCl浓度相同的情况下,温度高于35 ℃时,铁和钛的浸出率下降的原因是____________________________________________________________。
(3)“溶钛”时生成过氧化钛酸铵[(NH4)2Ti5O15],其中每个分子中含有过氧键(O—O)的数目为_________________________________________________________个。
(4)“沉铁”过程中生成一种能使澄清石灰水变浑浊的气体,该过程的离子方程式为 __________________________________________________________。
(5)“沉铁”过滤后,“洗涤”沉淀的操作方法是 _______________________。
(6)FeCO3达到沉淀溶解平衡时,室温下测得溶液的pH为8,c(Fe2+ )为1.0 ×10-5 mol·L-1,通过计算判断所得FeCO3固体中是否混有Fe(OH)2: ______________
{已知:Ksp[Fe(OH)2]=4.9×10-17}。
5.为解决钒、铬资源的利用问题,我国进行了钒铬渣分离提取钒铬的技术研究,某种提取钒铬的工艺流程如下。
已知:
①钒铬渣中含有V2O3、Cr2O3及SiO2、Fe2O3、FeO等
②“沉钒”时析出正五价含氧酸铵盐
③25 ℃时,Cr(OH)3的溶度积常数为6.4×10-31;
lg4=0.6
回答下列问题:
(1)钒铬渣“氧化焙烧”之前通常要将原料粉碎,其目的是________________。
(2)“氧化焙烧”时,钒铬渣中化合价发生变化的三种元素的价层电子排布式为________、________、________。
(3)“除杂”产生的滤渣2的成分是____________(用化学式表示)。
(4)写出紧接“沉钒”的“煅烧”反应的化学方程式 __________________________。
(5)“还原”溶液中的Cr2O72-时发生反应的离子方程式为_____________________。
已知双氧水还原Cr2O72-的效率在40 ℃时最高,解释原因___________________。
(6)“沉铬”过程中,含铬元素的离子刚好完全沉淀时,溶液的pH=________(已知溶液中离子浓度小于10-5 mol·L-1时认为已完全沉淀)。
题型3:无机化工生产流程题
考向1
【典例】【解析】(1)原料表面含有少量的油污,Na2CO3溶液呈碱性,可以除去原料表面的油污;(2)黄铁矿研细的主要目的是增大固液接触面积,加快反应速率,提高黄铁矿的利用率;(3)a.联合焙烧时,进一步粉碎矿石,可以增大矿石与空气的接触面积,能够提高焙烧效率,选项a符合题意;b.鼓入适当过量的空气有利于矿石充分反应,选项b符合题意;c.降低焙烧温度,反应速率减慢,不利于提高焙烧效率,选项c不符合题意。
答案:(1)除油污 (2)增大固液接触面积,加快反应速率,提高黄铁矿的利用率 (3)ab
1.【解析】从反应速率的影响因素分析,将菱锶矿、焦炭混合粉碎的目的是增大接触面积,加快反应速率;提高原料的转化率。
答案:增大接触面积,加快反应速率;提高原料的转化率
2.【解析】由“已知”中“混合焙烧”后烧渣的成分可知,此操作目的为将硫化物转化为金属氧化物。
答案:将硫化物转化为金属氧化物
3.【解析】根据信息i)二价金属氧化物分别与氨络合,Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)能与氨络合生成[Fe(NH3)2]2+、[Mn(NH3)2]2+,根据信息ii)可知,pH=11.6,Eh=0.70V时,Fe(Ⅱ)转化成FeOOH,Mn(Ⅱ)转化成α-MnO2,避免浸出时溶解;故答案为将含锌烟灰中的铁(Ⅱ)和锰(Ⅱ)分别氧化为FeOOH和α-MnO2,避免其在浸出时溶解。
答案:将含锌烟灰中的铁(Ⅱ)和锰(Ⅱ)分别氧化为FeOOH和α-MnO2,避免其在浸出时溶解
考向2
【典例】【解析】(1)根据图中的坐标信息,酸解后,在所得100 ℃、P2O5%为45的混合体系中,石膏存在形式为CaSO4·0.5H2O;CaSO4在硫酸中的溶解度小于在水中的,因此,洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水的原因是减少CaSO4的溶解损失,提高产品石膏的产率;由图甲信息可知,温度越低,越有利于实现酸解所得石膏结晶的转化,由图乙信息可知,65 ℃时,位于65 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于65 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在;80 ℃时,位于80 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于80 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在;已知酸解后所得100 ℃、P2O5%为45的混合体系中石膏存在形式为CaSO4·0.5H2O;P2O5%=15、SO3%=15,由图乙信息可知,该点坐标位于65 ℃线下方,故能实现晶体的完全转化,A符合题意;P2O5%=10、SO3%=20,由图乙信息可知,该点坐标位于80 ℃线上方,晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,故不能实现晶体的完全转化,B不符合题意;P2O5%=10、SO3%=30,由图乙信息可知,该点坐标位于65 ℃线上方,晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,故不能实现晶体转化, C不符合题意;P2O5%=10、SO3%= 10,由图乙信息可知,该点坐标位于80 ℃线下方,晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在,故能实现晶体的完全转化,D符合题意,综上所述,能实现酸解所得石膏结晶转化的是AD。
(2)加入浓盐酸后,溶液中含有的离子主要为Bi3+、Fe3+、Mn2+、H+、Cl-,而酸浸后取滤液进行转化,故要防止金属离子水解生成沉淀,进入滤渣,造成制得的BiOCl产率偏低。
(3)中和时调节溶液pH目的是将[Al(OH)4]-、SiO32-转化为沉淀过滤除去,由图可知,当溶液pH≥4.5时,Al3+除尽,当溶液pH>9.3时,H2SiO3会再溶解生成SiO32-,因此中和时pH的理论范围为4.5≤pH≤9.3;将Al元素和Si元素除去后,溶液中Cr元素主要以Cr2O72-和CrO42-形式存在,溶液中存在平衡:2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O,降低溶液pH,平衡正向移动,可提高Na2Cr2O7的产率。
答案:(1)CaSO4·0.5H2O 减少CaSO4的溶解损失,提高产品石膏的产率 AD (2)抑制金属离子水解
(3)4.5≤pH≤9.3 使2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O平衡正向移动,提高Na2Cr2O7的产率
1.【解析】(1)粉碎精硫锗矿的目的是增大固体表面积,加快GeS2的升华速率。800 ℃,使精硫锗矿在N2氛围中升华的原因是升华过程中需要加热,在氮气中进行可以避免GeS2被氧化,得到较为纯净的GeS2。
(2)浓硝酸受热易分解,所以酸浸时温度不能过高;GeO2不溶于酸,所以酸浸后得到粗GeO2的操作为过滤。
答案:(1)增大固体表面积,加快GeS2的升华速率 避免GeS2被氧化,得到较为纯净的GeS2 (2)浓硝酸受热易分解 过滤
2.【解析】(1)钒渣在焙烧过程中LiV2(PO4)3生成NaVO3,加入SO2后被还原为VO2+。“沉钒”时,加入KClO3不能过量的原因是KClO3氧化VO2+时,生成Cl-,过量KClO3与Cl-生成氯气污染环境;由V元素存在形式和pH表可知,pH约为2时以V2O5形式存在,则“沉钒”时加硫酸最终需要控制pH约为2;
(2)草酸具有强还原性,溶解“滤渣Ⅱ”时,V2O5与草酸发生氧化还原反应得到V2(C2O4)3和CO2,反应方程式为V2O5+5H2C2O4===V2(C2O4)3+4CO2↑+5H2O;已知草酸受热易分解,温度超过70 ℃滤渣Ⅱ溶解速率反而减慢的可能原因是超过70 ℃,草酸受热分解。
答案:(1)KClO3氧化VO2+时,生成Cl-,过量KClO3与Cl-生成氯气污染环境 2 (2)V2O5+5H2C2O4===V2(C2O4)3+4CO2↑+5H2O 超过70 ℃,草酸受热分解
考向3
【典例】【解析】(1) “操作X”的结果是分离出月桂酸,由信息可知,月桂酸熔点为44 ℃、难溶于水,故“操作X”的过程为先冷却结晶,再固液分离。(2)已知黄铁矿高温煅烧生成Fe2O3,反应原理为4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,故产生的红渣主要成分为Fe2O3和SiO2,将红渣粉碎后加入足量的50%的H2SO4溶液加热充分酸浸,反应原理为Fe2O3+3H2SO4===Fe2(SO4)3+3H2O,过滤出滤渣①,主要成分为SiO2,向滤液中加入黄铁矿进行还原,将Fe3+还原为Fe2+,则硫元素被氧化为SO42-,反应原理为14Fe3++FeS2+8H2O===15Fe2++2SO42-+16H+,然后进行工序①为蒸发浓缩、冷却结晶,得到FeSO4晶体和母液,母液主要含有FeSO4溶液和H2SO4,过滤洗涤得到FeSO4晶体。
答案:(1)冷却结晶 (2)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤
1.【解析】操作Ⅲ是从溶液中得到晶体,根据绿矾的性质可知其具体操作依次是蒸发浓缩,降温结晶,过滤;绿矾带有结晶水,烘干时温度过高会失去结晶水,故需要减压烘干。
答案:蒸发浓缩,降温结晶,过滤 绿矾带有结晶水,烘干时温度过高会失去结晶水,故需要减压烘干
2.【解析】Li2CO3的溶解度随温度的升高而逐渐减小,为了获得更多更纯的Li2CO3固体,“系列操作”依次为蒸发结晶、趁热过滤、热水洗涤和干燥。
答案:蒸发结晶、趁热过滤、热水洗涤
考向4
【典例】【解析】(1)向80~90 ℃滤液①中加入KMnO4溶液,可氧化Fe2+,得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②,反应的离子方程式为3Fe2++MnO4-+7H2O===
3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+;
(2)沉铁工序中产生的白色沉淀Fe(NH4)2Fe(CN)6中Fe的化合价为+2价,[Fe(CN)6]3-中Fe的化合价为+3价,氧化工序所发生的离子方程式为6Fe(NH4)2Fe(CN)6+ClO3-+6H+===6Fe(NH4)Fe(CN)6+3H2O+Cl-+6NH4+;
(3)根据信息反应物为CeO2与H2O2,产物为Ce3+和O2,根据电荷守恒和元素守恒可知其离子方程式为2CeO2+H2O2+6H+===2Ce3++O2↑+4H2O。
答案:(1)3Fe2++MnO4-+7H2O===3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+
(2)+2、+3
6Fe(NH4)2Fe(CN)6+ClO3-+6H+===6Fe(NH4)Fe(CN)6+3H2O+Cl-+6NH4+
(3)2CeO2+H2O2+6H+===2Ce3++O2↑+4H2O
1.【解析】(1)“氧化焙烧”步骤中,BaO不参与反应,由流程可知CeFCO3与通入的氧气发生氧化还原反应生成CeO2、CeF4和CO2。(2)滤液A中CeF3+能溶于有机物TBP,振荡静置后的水层与有机层采用分液方法进行分离;由流程可知,有机层A中加入“洗氟液”后,分离出含F-溶液,F-浓度减小,平衡CeF3++TBPCeTBP4++F-正向移动,CeF3+转化为CeTBP4+;由流程可知,有机层B中CeTBP4+在酸性条件下与H2O2发生氧化还原反应。
答案:(1)4CeFCO3+O23CeO2+CeF4+4CO2
(2)分液 2CeTBP4++H2O2===2Ce3++O2↑+2H++2TBP
2.【解析】(1)根据题意,“酸浸”时,Pd转化PdCl42-,其离子方程式为3Pd+ClO3-+6H++11Cl-===3PdCl42-+3H2O;
(2)“沉淀”时,[Pd(NH3)4]2+转化为[Pd(NH3)2]Cl2沉淀,其化学方程式为[Pd(NH3)4]Cl2+2HCl===[Pd(NH3)2]Cl2↓+2NH4Cl。
答案:(1)3Pd+ClO3-+6H++11Cl-===3PdCl42-+3H2O
(2)[Pd(NH3)4]Cl2+2HCl===[Pd(NH3)2]Cl2↓+2NH4Cl
考向5
【典例】【解析】(1)滤液2中Mg2+浓度为2.7 g·L-1,即0.112 5 mol·L-1,根据Ksp[(C11H23COO)2Mg]=c(Mg2+)·c2(C11H23COO-),若要加入月桂酸钠后只生成(C11H23COO)3RE,而不产生(C11H23COO)2Mg,则c(C11H23COO-)<
Ksp[(C11H23COO)2Mg]c(Mg2+)=1.8×10-80.1125=4×10-4 mol·L-1;
(2)精制Ⅰ中,按物质的量之比n(Na2CO3)∶n(SiF62-)=1∶1加入Na2CO3脱氟,该反应的化学方程式为H2SiF6+Na2CO3===Na2SiF6↓+CO2↑+ H2O,充分反应后得到沉淀Na2SiF6,溶液中有饱和的Na2SiF6,且c(Na+)=2c(SiF62-),根据Na2SiF6的溶度积可知Ksp=c2(Na+)·c(SiF62-)=4c3(SiF62-),c(SiF62-) =34.0×10-64=1.0×10-2 mol·L-1,因此c(Na+)=2c(SiF62-)=2.0×10-2 mol·L-1;同时,粗磷酸中还有硫酸钙的饱和溶液,c(Ca2+)=c(SO42-)=9.0×10-4=3.0×10-2 mol·L-1;分批加入一定量的BaCO3,当BaSiF6沉淀开始生成时,c(Ba2+)=1.0×10-61.0×10-2=1.0×10-4 mol·L-1,当BaSO4沉淀开始生成时,c(Ba2+)=1.0×10-103.0×10-2≈3.3×10-9 mol·L-1,因此,首先转化为沉淀的离子是SO42-,然后才是SiF62-。
(3)某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2,由Ka2=c(CO32-)·c(H+)c(HCO3-)可知,c(H+)=c(HCO3-)c(CO32-)×Ka2=2×5.0×10-11 mol·L-1=1.0×10-10 mol·L-1,则该溶液的pH=10。
答案:(1)4.0×10-4 (2)2.0×10-2 SO42- (3)10
1.【解析】(1)由于CaF2的溶度积常数Ksp(CaF2)=1.44×10-10,c(Ca2+)=1.0×10-6 mol·L-1,则c(F-)=1.44×10-101.0×10-6 mol·L-1=1.2×10-2 mol·L-1。若溶液的pH偏低,溶液中的H+与F-会形成弱酸HF,导致溶液中F-浓度减小,CaF2沉淀就不完全。
(2)在沉铁时,溶液中的Fe2+与HCO3-、NH3·H2O反应产生FeCO3沉淀、NH4+和水,反应的离子方程式为Fe2++HCO3-+NH3·H2O===FeCO3↓+NH4++ H2O。
答案:(1)1.2×10-2 mol·L-1 pH偏低形成HF,导致溶液中F-浓度减小,CaF2沉淀不完全
(2)Fe2++HCO3-+NH3·H2O===FeCO3↓+NH4++ H2O
2.【解析】由题中信息可知,加入Na2CO3溶液是将PbSO4转化为PbCO3,即PbSO4(s)+CO32-(aq)PbCO3(s)+SO42-(aq),因为PbSO4的Ksp(PbSO4)=1.6×10-8 mol2·L-2,所以溶液中c(Pb2+)=Ksp(PbSO4)=1.6×10-8mol2·L-2≈1.26×10-4 mol·L-1,生成PbCO3时,CO32-的最小浓度为c(CO32-)=Ksp(PbCO3)c(Pb2+)=7.4×10-14mol2·L-21.26×10-4mol·L-1≈5.87×10-10 mol·L-1;由PbSO4(s)+CO32-(aq)PbCO3(s)+SO42-(aq)可知,平衡常数K=c(SO42-)c(CO32-)=c(SO42-)×c(Pb2+)c(CO32-)×c(Pb2+)=Ksp(PbSO4)Ksp(PbCO3)=
1.6×10-8mol2·L-27.4×10-14mol2·L-2=2.16×105>1×105,所以能彻底转化。
答案:5.87×10-10 该沉淀转化反应能彻底进行,因为该沉淀转化反应的平衡常数为K=Ksp(PbSO4)Ksp(PbCO3)=2.16×105>1×105,所以能彻底进行
3.【解析】加入Pb2+作用是与MoO42-结合生成PbMoO4沉淀。与MoO42-结合生成PbMoO4沉淀所消耗的Pb2+的物质的量为0.1 mol·L-1×0.1 L=0.01 mol。根据Ksp(PbMoO4)=c(Pb2+)·c(MoO42-)=a,当c(MoO42-)=1×10-5 mol·L-1时,c(Pb2+)=a×105 mol·L-1,混合后溶液总体积为0.2 L,故溶液中的Pb2+的物质的量为0.2 L×a×105 mol·L-1=0.2a×105mol。则总加入的Pb2+的物质的量为(0.01+0.2a×105)mol,由于其体积为100 mL,故其浓度为(0.1+2a×105)mol·L-1。
答案:0.1+2a×105
1.【解析】铬铁矿加入稀硫酸与金属氧化物反应生成硫酸盐,SiO2不与稀硫酸反应而成为滤渣1,铬酸酐(CrO3)常用作氧化剂,将Fe2+氧化为Fe3+,加入氨气调节pH至3.0沉铁为铁铵矾,加入氨气完全沉淀Al3+与Cr3+,利用Al(OH)3的两性,加入NaOH溶液生成NaAlO2成为滤液2,Cr(OH)3沉淀煅烧生成Cr2O3;
(1)“氧化酸浸”前,常将铬铁矿粉碎,目的是增大反应物接触面积,提高反应速率;加入稀硫酸不与SiO2反应而成为滤渣1,则主要成分是SiO2;
(2)已知铬酸酐(CrO3)常用作氧化剂,其作用是将Fe2+氧化为Fe3+;“氧化酸浸”时FeO·Cr2O3与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和硫酸铬,铬酸酐(CrO3)将硫酸亚铁氧化为硫酸铁,则反应的化学方程式是6FeO·Cr2O3+30H2SO4+ 2CrO3===3Fe2(SO4)3+7Cr2(SO4)3+30H2O;
(3)“沉淀”时为了得到Cr(OH)3沉淀,即完全沉淀Cr3+,应调节pH不低于5.9;滤液1的成分主要是(NH4) 2SO4;
(4)“除铝”中加入NaOH溶液与Al(OH)3反应生成NaAlO2和水,反应的离子方程式是Al(OH)3+OH-===AlO2-+2H2O;
(5)由表知铬铁矿中FeO质量分数为32.5%,根据
6FeO·Cr2O3+30H2SO4+ 2CrO3===3Fe2(SO4)3+7Cr2(SO4)3+30H2O,可得关系式
6FeO2CrO3
6×722×100
1 000 g×32.5% m,
解得消耗铬酸酐的质量是m≈150.5 g。
答案:(1)增大反应物接触面积,提高反应速率 SiO2
(2)将Fe2+氧化为Fe3+
6FeO·Cr2O3+30H2SO4+ 2CrO3===3Fe2(SO4)3+7Cr2(SO4)3+30H2O
(3) 5.9 (NH4) 2SO4
(4)Al(OH)3+OH-===AlO2-+2H2O (5)150.5
2.【解析】本题是一道制备碳酸铅的工业流程题,原料是电解锰渣,首先在酸性条件下用硫化铅还原二氧化锰,之后加入乙酸铵溶解出铅,过滤除杂,在滤渣中加入碳酸氢铵生成碳酸铅。
(1)MnO2、PbS、PbSO4均为固体,写成离子方程式时不能拆开,其中MnO2被还原为二价锰离子,PbS中的S被氧化为硫单质,则离子方程式为MnO2+PbS+4H++SO42-===Mn2++PbSO4+S+2H2O;
(2)Fe2(SO4)3与PbS反应,三价铁离子被还原为亚铁离子,因此含有FeSO4;由MnSO4的溶解度随温度的变化曲线可知,20 ℃之后,随温度升高,溶解度逐渐下降,因此采用蒸发结晶,趁热过滤,洗涤的方法获得MnSO4晶体;
(3)“浸铅”反应能发生是因为醋酸铅比硫酸铅更难电离,故答案为CH3COO-结合Pb2+形成更难电离物质,使PbSO4(s)Pb2+(aq)+SO42-(aq)平衡正向移动;
(4)当溶液中金属离子浓度小于10-5mol ·L-1时,可以认为该离子沉淀完全,则当铅离子完全沉淀时,c(CO32-)=Ksp(PbCO3)c(Pb2+)=7.4×10-1410-5=7.4×10-9 mol·L-1,使钙离子开始沉淀的c(CO32-)=Ksp(CaCO3)c(Ca2+)=2.8×10-90.1=2.8×10-8 mol·L-1,因此溶液中c(CO32-)的范围为7.4×10-9 mol·L-1~2.8×10-8mol·L-1或7.4×10-9mol·L-1
(6)由于“沉铅”反应PbSO4+2CH3COONH4Pb(CH3COO)2+(NH4)2SO4,所以还含有(NH4)2SO4。
答案:(1)MnO2+PbS+4H++SO42-===Mn2++PbSO4+S+2H2O
(2)FeSO4 蒸发结晶,趁热过滤,洗涤
(3)CH3COO-结合Pb2+形成更难电离物质,使PbSO4(s)Pb2+(aq)+SO42-(aq)平衡正向移动
(4)7.4×10-9~2.8×10-8 (5)CO32-更易水解生成OH-,从而易生成Pb2(OH)2CO3 (6)(NH4)2SO4
3.【解析】钼镍废催化剂(主要含MoS2、NiS、Al2O3、SiO2以及C)中回收镍和钼,钼镍废催化剂加入Na2CO3焙烧,MoS2和NiS在高温条件下与氧气、Na2CO3反应生成Na2MoO4、Na2SiO3、NiO,然后加水水浸,过滤除去NiO、Al2O3,滤渣经过除铝,得到NiO,NiO和硫酸反应生成NiSO4溶液,经过分离操作得到NiSO4·7H2O;滤液加入MgCl2调节pH=8~9,使Na2SiO3转化为MgSiO3除去;再加入盐酸,调节pH≈6,过量的偏铝酸根离子转化为氢氧化铝,过滤除去,然后加入CaCl2调节pH≈8,Na2MoO4转化为CaMoO4沉淀,同时得到含氯化钠的滤液。(1)CO2为共价化合物,C原子和O原子间共用2对电子,电子式为;(2)“焙烧“时,MoS2首先转化为MoO3,该反应的化学方程式:2MoS2+7O2 4SO2+2MoO3;(3)滤液中溶质为NaCl,工业可以用于制造氯气、纯碱,“净化2”时,发生反应的离子方程式为AlO2-+H++H2O===Al(OH)3↓;(4)已知常温下,Ksp(CaMoO4)=1.46×10-8、Ksp(CaCO3)=3.36×10-9,由于CaMoO4、CaCO3的溶度积接近,所以可由CaMoO4制备Na2MoO4的方法是用浓Na2CO3溶液充分浸取CaMoO4固体,过滤;(5)已知NiO是不溶于水的碱性氧化物,根据氧化铝溶于氢氧化钠,则由浸渣“除铝”所用的试剂是氢氧化钠溶液;酸溶得到的溶液制备NiSO4·7H2O的操作方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥;(6)160 g MoS2的物质的量为160g160g·mol-1=1 mol,根据Mo元素守恒,理论获得CaMoO4的质量为1 mol×200 g·mol-1=200 g,则CaMoO4的产率为190g200g×100%=95%。
答案:(1) (2)2MoS2+7O24SO2+2MoO3
(3)制造氯气、纯碱 AlO2-+H++H2O===Al(OH)3↓
(4)用浓Na2CO3溶液充分浸取CaMoO4固体,过滤
(5)氢氧化钠溶液 蒸发浓缩、冷却结晶 (6)95%
4.【解析】钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有MgO、CaO、SiO2等杂质),经盐酸酸浸,生成TiOCl2、FeCl2、MgCl2、CaCl2,过滤除去SiO2,滤液加热可以得到富钛渣和富铁液,富钛渣加双氧水和氨水“溶钛”时生成过氧化钛酸铵[(NH4)2Ti5O15],煅烧生成TiO2,加入Li2CO3生成Li4Ti5O12;富铁液加入NH4HCO3“沉铁”,生成CO2气体和FeCO3沉淀,在空气中煅烧FeCO3可以得到铁红。
(1)结合原子守恒可知,FeTiO3与盐酸反应生成TiOCl2的同时生成FeCl2和H2O,化学方程式为FeTiO3+4HCl===FeCl2+ TiOCl2+2H2O;(2)根据题图甲可知,在相同温度下采用a组溶剂浸出率最高,由题图乙可知, 35 ℃时浸出率最高,故“酸浸”时采用的最佳条件为选用a组溶剂、温度35 ℃。由图乙可知35 ℃时铁和钛的浸出率最高,因为HCl易挥发,当温度过高时,HCl挥发加剧,导致HCl浓度下降,浸出率下降;(3)[(NH4)2Ti5O15]中,NH4+为+1价、Ti为+4价,设每个分子中有x个过氧键,则-2价O为(15-2x)个,从而有2×1+5×4 =2x+2×(15-2x),解得x=4,即每个[(NH4)2Ti5O15]中有4个过氧键;(4)根据分析可知“沉铁”时,在FeCl2溶液中加入NH4HCO3,由于HCO3-存在电离HCO3-H+ +CO32-;电离出的CO32-与Fe2+结合生成FeCO3,电离出的H+与HCO3-反应生成CO2和H2O,故对应的离子方程式为Fe2+ + 2HCO3-===FeCO3↓+CO2↑+H2O;(5)“沉铁”过滤后,“洗涤”沉淀的操作是在过滤器中加蒸馏水浸没固体,待液体自然流下,重复操作2~3次;(6)由溶液的pH为8,c(Fe2+ )=1.0 ×10-5 mol·L-1,可知Qc=c(Fe2+ )×c2(OH- )=1.0 ×10-5×(1.0×10-6)2=1.0 ×10-17
(2)a 35 ℃ 温度高于35 ℃时,HCl大量挥发,则导致HCl浓度降低,浸出率下降
(3)4 (4)Fe2+ + 2HCO3-===FeCO3↓+CO2↑+H2O
(5)在过滤器中加蒸馏水浸没固体,待液体自然流下,重复操作2~3次
(6)c(Fe2+)·c2(OH- )=1.0×10-5×(1×10-6)2=1.0×10 -17
答案:(1)增加反应物之间的接触面积,加快反应速率
(2)3d34s2 3d54s1 3d64s2
(3)H2SiO3 (4)2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O
(5)Cr2O72-+3H2O2+8H+===2Cr3++3O2↑+7H2O 低于40℃,H2O2还原Cr2O72-的反应速率随温度升高而增加;超过40 ℃,双氧水分解,浓度降低,导致还原Cr2O72-的反应速率降低 (6)5.6
题型3:无机化工生产流程题
原料预处理
【典例】(1)(2022·海南等级考节选)胆矾(CuSO4·5H2O)是一种重要化工原料,某研究小组以生锈的铜屑为原料[主要成分是Cu,含有少量的油污、CuO、CuCO3、Cu(OH)2]制备胆矾。流程如图。
步骤①的目的是________________________________。
(2)(2022·河北等级考节选)以焙烧黄铁矿FeS2(杂质为石英等)产生的红渣为原料制备铵铁蓝Fe(NH4)Fe(CN)6颜料。工艺流程如下:
黄铁矿研细的目的是 _____________________________________________。
(3)(2022·辽宁选择考节选)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
为提高焙烧效率,可采取的措施为__。
a.进一步粉碎矿石 b.鼓入适当过量的空气
c.降低焙烧温度
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
含有少量的油污
原料表面含有少量的油污,Na2CO3溶液呈碱性,可以除去原料表面的油污
研细
将块状矿石研细后,增大其与液体的接触面积,从而可以加快反应速率,提高黄铁矿的利用率
提高焙烧效率
提高焙烧效率可以从加快反应速率的角度分析,如增大接触面积、升温、增大反应物的浓度等
【失分警示】(1)注意点只关注无机物“CuO”等,忽略“油污”或忽略纯碱溶液的碱性,从而错答第(1)问;
(2)考虑问题不全面,只考虑研细对速率的影响,忽略对矿石利用率的影响;
(3)不能将“提高效率”与加快反应速率联系在一起,第(3)问错选或漏选。
原料的预处理及目的
1.研磨:将固体物质粉碎,增大固体与液体或气体间接触面积,加快反应速率,提高固体的利用率。
2.灼烧:除去可燃性杂质或使原料初步转化。
3.煅烧:改变结构,使一些物质能溶解,杂质在高温下氧化分解。
4.浸取
(1)酸浸:溶解,除去氧化物(膜),调节pH促进沉淀、抑制水解。
(2)碱浸:去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅,调节pH促进沉淀、抑制水解。
(3)水浸:与水反应或溶解。
5.搅拌:加快反应(溶解)速率,使反应充分进行,提高原料利用率。
1.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(主要含有SrCO3及少量MgCO3、CaCO3、BaCO3等)制备高纯碳酸锶的工艺流程如图所示。
向“立窑煅烧”中投料前,将菱锶矿、焦炭混合粉碎的目的是____________________________________________(任写两点)。
2.硫酸锰是一种重要的化工中间体。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿(主要成分为MnO2等锰的氧化物)为原料制备硫酸锰的工艺流程如图:
已知:“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、 MgO。“混合焙烧”的主要目的是 ______________________________________________。
3.氧化锌是一种白色粉末,可溶于酸、氢氧化钠溶液、氨水和氨水铵盐缓冲溶液中,它在橡胶、油漆涂料、化工、医疗及食品等行业有着广泛应用。一种由含锌烟灰(含有ZnO、CuO、PbO、FeO、Fe2O3、MnO、MnO2、CdO等)制备氧化锌的工艺流程如图所示:
已知:i)二价金属氧化物分别与氨络合,Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)能与氨络合生成[Fe(NH3)2]2+、[Mn(NH3)2]2+;
ii)pH=11.6,Eh=0.70V时,Fe(Ⅱ)转化成FeOOH,Mn(Ⅱ)转化成α-MnO2。“氧化预处理”时,加入Ca(ClO)2溶液的目的为___________________________________。
化工生产中反应条件的控制
【典例】(1)(2022·山东等级考节选)工业上以氟磷灰石[Ca5F(PO4)3,含SiO2
等杂质]为原料生产磷酸和石膏,工艺流程如右:
回答下列问题:
SO42-浓度(以SO3%计)在一定范围时,石膏存在形式与温度、H3PO4浓度(以P2O5%计)的关系如图甲所示。酸解后,在所得100 ℃、P2O5%为45的混合体系中,石膏存在形式为________________(填化学式);洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水,原因是__________________________________;一定温度下,石膏存在形式与溶液中P2O5%和SO3%的关系如图乙所示,下列条件能实现酸解所得石膏结晶转化的是________(填标号)。
A.65℃、P2O5%=15、SO3%=15
B.80℃、P2O5%=10、SO3%=20
C.65℃、P2O5%=10、SO3%=30
D.80℃、P2O5%=10、SO3%=10
(2)(2022·辽宁选择考节选)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
“酸浸”中过量浓盐酸的作用为①充分浸出Bi3+和Mn2+;②________________。
(3)(2021·山东等级考节选)工业上以铬铁矿(FeCr2O4,含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)的工艺流程如图。回答下列问题:
矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示。当溶液中可溶组分浓度c≤1.0×10-5 mol·L-1时,可认为已除尽。
中和时pH的理论范围为__________________;酸化的目的是_______________。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
硫酸溶液而不使用水
两液体的区别为硫酸溶液中SO42-的浓度大,可减小CaSO4的溶解
石膏结晶转化
由图乙信息可知,65 ℃时,位于65 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于65 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在;80 ℃时,位于80 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于80 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在
“酸浸”中过量浓盐酸
“酸浸”后溶液中含有的离子主要为Bi3+、Fe3+、Mn2+,取滤液进行转化,故要防止金属离子水解生成沉淀
酸化
降低溶液的pH,由图像知降低pH可使CrO42-转化为Cr2O72-,提高产率
【失分警示】(1)不理解图乙的含义,从而在第(1)问中错选;
(2)不能充分利用工业流程图,分析制备原理“利用酸浸后的滤液制备产品”,从而错答第(2)问;
(3)只关注沉淀的生成,忽略沉淀“H2SiO3”的再溶解,错误选择pH范围。
反应条件控制
1.控制pH
控制溶液的酸碱性使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点:①能与H+反应,使溶液pH增大;②不引入新杂质。
2.控制温度
(1)控制低温的目的
①防止某反应物及目标产物分解,如H2O2、AgNO3、HNO3(浓)等;
②防止某反应物或目标产物挥发,如盐酸、醋酸、硝酸和氨水等;
③抑制物质的水解,如Fe3+、Al3+、Cu2+、S2-;
④反应放热,低温使反应正向移动;
⑤避免副反应的发生:如乙醇的消去反应需迅速升温至170℃;
⑥确保催化剂的催化活性,兼顾速率和转化率,追求经济效益;
⑦沸点较高物质的液化收集:用冰水浴冷凝并收集SO3;
⑧若转化率变化不大,高温下浪费能源。
(2)加热的目的
①加速某固体的溶解;
②减少气体生成物的溶解并加速逸出;
③一般加快反应速率;
④使平衡向需要的方向移动;
⑤趁热过滤,防止某物质降温时析出而损失或带入新杂质。
(3)控制某温度范围的目的
从温度过高或温度过低会导致的后果两方面作答。
3.控制压强
(1)减压
减压过滤,加快过滤速率;减压蒸馏,降低蒸馏温度,防止产品分解;减压蒸发,降低蒸发温度,防止物质分解或失去结晶水。
(2)加压
加快速率,平衡移动。
1.1868年门捷列夫发现元素周期律,距今已有154年。他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,其中Ge化合价为+4)制取高纯度锗,其工艺流程如图所示。请回答:
(1)粉碎精硫锗矿的目的是__________________________。800 ℃,使精硫锗矿在N2氛围中升华的原因是__________________________________________。
(2)酸浸时温度不能过高的原因是___________________________________;
酸浸后得到粗GeO2的操作为_____________________________________。
2.磷酸钒锂[Li3V2(PO4)3]是常用锂电极材料的填充物,某工业利用钒渣(FeO·V2O3,含Al2O3、SiO2等杂质)和β-锂辉矿(LiAlSi2O6,含少量MgO、CaCO3等杂质)制备该物质的工艺流程如图所示:
已知:
①V2O5微溶于水,具有强氧化性,属于两性氧化物;草酸具有强还原性,受热易分解;
②向Na3VO4溶液(加热生成VO3-)中加酸,不同pH对应的主要存在形式如下表:
pH
≥13
10.6~12
约8.4
3~8
约2
<1
存在形式
VO43-
V2O74-
V3O93-
V10O286-
V2O5
VO2+
回答下列问题:
(1)“沉钒”时,加入KClO3不能过量的原因是______________________________,
加硫酸最终需要控制pH约为____________。
(2)用草酸溶解“滤渣Ⅱ”时,需要水浴加热控制70 ℃左右,滤渣Ⅱ溶解的化学方程式为________________________,温度超过70 ℃滤渣Ⅱ溶解速率反而减慢的可能原因是 ________________________________________________________。
产品的分离与提纯
【典例】(1)(2022·广东选择考节选)稀土(RE)包括镧、钇等元素,是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理,一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下:
已知:月桂酸(C11H23COOH)熔点为44℃;月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。
“操作X”的过程为先__________,再固液分离。
(2)(2022·河北选择考节选)以焙烧黄铁矿FeS2(杂质为石英等)产生的红渣为原料制备铵铁蓝Fe(NH4)Fe(CN)6颜料。工艺流程如下:
回答下列问题:
工序①的名称为____________________________________________________,
所得母液循环使用。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
月桂酸熔点为44 ℃、难溶于水
先冷却结晶得到月桂酸,再过滤与溶液分离
由流程可知该操作是将可溶性固体从溶液中分离出来后,再加水溶解,故操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤
【失分警示】(1)不能充分发掘题干已知月桂酸的性质,错误选择分离方法;
(2)不能根据流程图中工序①前后的状态得到工序操作的目的,从而错误回答第(2)问的操作方法。
产品的分离提纯
1.对于固体产品的分离与提纯,一般可采取的操作有蒸发结晶或降温结晶、重结晶、灼烧、升华、过滤、洗涤等;
(1)结晶:
①蒸发结晶,趁热过滤:得到溶解度受温度影响小的溶质,如食盐水蒸发结晶得NaCl;
②蒸发浓缩,冷却结晶:得到溶解度受温度影响大的溶质,如胆矾结晶;
③在HCl气流中蒸发结晶。如:CuCl2、AlCl3、FeCl3等。
(2)过滤:操作要点(一贴二低三靠);玻璃仪器(漏斗、玻璃棒、烧杯)。
(3)灼烧:固体在坩埚中进行加热,配套实验仪器还有泥三角和三脚架。
2.对于液体产品的分离与提纯,一般可采取的操作有蒸馏、分馏、萃取、分液、盐析、渗析等。
(1)萃取分液:萃取剂的要求。
(2)蒸馏或分馏:冷凝管的选择(装置、仪器、冷却水的方向等)。
1.由硫铁矿烧渣(主要成分:Fe3O4、Fe2O3、Al2O3和FeO)得到绿矾(FeSO4·7H2O)的流程如图:
已知:FeS2难溶于水。且能还原Fe3+,硫元素被氧化成SO42-。
操作Ⅲ包含3个基本的实验操作,依次是________________________________。
制得的绿矾需要减压烘干的原因是________________________________。
2.某化工厂利用废旧锂离子电池的正极材料(含有LiCoO2以及少量Ca、Mg、Fe、Al等)制备Co2O3和Li2CO3的工艺流程如图:
已知:常温下Li2CO3的溶解度为1.3 g,Li2CO3的溶解度随温度的升高而逐渐减小。
为了获得更多更纯的Li2CO3固体,“系列操作”依次为________________________和干燥。
陌生情境下化学(离子)方程式的书写
【典例】(1)(2022·全国甲卷节选)硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料,在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3,杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如图:
已知:Fe3+的氢氧化物溶度积常数为4.0×10-38。
回答下列问题:
向80~90 ℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤,滤渣②中有MnO2,该步反应的离子方程式为________________________________。
(2)(2022·河北选择考节选)以焙烧黄铁矿FeS2(杂质为石英等)产生的红渣为原料制备铵铁蓝Fe(NH4)Fe(CN)6颜料。工艺流程如下:
回答下列问题:
沉铁工序产生的白色沉淀Fe(NH4)2Fe(CN)6中Fe的化合价为________,氧化工序发生反应的离子方程式为__________________________________。
(3)(2022·江苏选择考节选)实验室以二氧化铈(CeO2)废渣为原料制备Cl-含量少的Ce2(CO3)3,其部分实验过程如图:
“酸浸”时CeO2与H2O2反应生成Ce3+并放出O2,该反应的离子方程式为____________________________。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
滤渣②中有MnO2
KMnO4转化为MnO2发生还原反应,则滤液中具有还原性的微粒(Fe2+)发生氧化反应,根据溶度积常数推算出,pH=5的生成Fe(OH)3沉淀
氢氧化物溶度积常数为4.0×10-38
铵铁蓝
Fe(NH4)Fe(CN)6
白色沉淀
Fe(NH4)2Fe(CN)6
根据Fe(NH4)2Fe(CN)6生成Fe(NH4)Fe(CN)6去掉一个NH4+,分析得Fe的化合价一共升高1价,而ClO3-生成Cl-,根据电子、电荷、原子守恒配平离子方程式
“酸浸”
溶液显酸性,根据电荷守恒配平离子方程式时使用H+
【失分警示】(1)不能根据Fe(OH)3的溶度积常数判断,pH=5时生成Fe(OH)3沉淀;
(2)不能根据价键规律判断铁的化合价,无法根据电子守恒配平离子方程式;
(3)忽略“酸浸”,使用OH-配平离子方程式。
陌生情境中氧化还原型方程式的书写步骤
步骤1:阅读题给文字信息或流程图中信息,确定氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物及溶液酸碱性问题。
步骤2:按“氧化剂+还原剂→还原产物+氧化产物”写出方程式,根据得失电子守恒配平上述四项物质。
步骤3:根据题给溶液性质,依据原子守恒和电荷守恒确定用酸、碱和水配平方程式。
步骤4:检查所写陌生方程式是否正确。
1.二氧化铈(CeO2)具有较强的氧化性,是一种应用非常广泛的稀土氧化物。以氟碳铈矿(主要含CeFCO3、BaO等)为原料制备CeO2的一种工艺流程如图所示。
回答下列问题:
(1)“氧化焙烧”后,Ce元素转化为CeO2和CeF4。写出氧化焙烧的化学方程式:__。
(2)“系列操作”包含以下几个过程:
已知:Ce3+不能溶于有机物TBP;CeF3+能溶于有机物TBP,且存在反应CeF3++TBPCeTBP4++F-。
“滤液A”中加入有机物TBP后的分离方法是__________________,“有机层B”中发生反应的离子方程式为____________________________________。
2.Pd/Al2O3是常见的汽车尾气催化剂。一种从废Pd/Al2O3纳米催化剂(主要成分及含量:Pd 0.3%,γ-Al2O3 92.8%,其他杂质6.9%)中回收金属Pd的工艺如图:
回答下列问题:
(1)“酸浸”时,Pd转化为PdCl42-,其离子方程式为 __________________。
(2)“沉淀”时,[Pd(NH3)4]2+转化为[Pd(NH3)2]Cl2沉淀,其化学方程式为__。
水溶液中离子平衡的计算
【典例】(1)(2022·广东选择考节选)稀土(RE)包括镧、钇等元素,是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理,一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下:
已知:(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8。
“过滤2”后,滤饼中检测不到Mg元素,滤液2中Mg2+浓度为2.7 g·L-1。为尽可能多地提取RE3+,可提高月桂酸钠的加入量,但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于________mol·L-1(保留两位有效数字)。
(2)(2022·山东等级考节选)工业上以氟磷灰石[Ca5F(PO4)3,含SiO2等杂质]为原料生产磷酸和石膏,工艺流程如下:
回答下列问题:
酸解时有HF生成,氢氟酸与SiO2反应生成二元强酸H2SiF6。部分盐的溶度积常数见下表。精制Ⅰ中,按物质的量之比n(Na2CO3)∶n(SiF62-)=1∶1加入Na2CO3脱氟,充分反应后,c(Na+)=________mol·L-1;再分批加入一定量的BaCO3,首先转化为沉淀的离子是________。
物质
BaSiF6
Na2SiF6
CaSO4
BaSO4
Ksp
1.0×10-6
4.0×10-6
9.0×10-4
1.0×10-10
(3)(2022·湖南选择考节选) 2021年我国制氢量位居世界第一,煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题:
某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2,则该溶液的pH=________(该温度下H2CO3的Ka1=4.6×10-7,Ka2=5.0×10-11)。
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
答题思维
尽可能多地提取RE3+
要加入月桂酸钠后只生成(C11H23COO)3RE,
而不产生(C11H23COO)2Mg,即c(Mg2+)·c2(C11H23COO-)≤
Ksp[(C11H23COO)2Mg]
首先转化为沉淀
即该离子刚好沉淀时,需要Ba2+的浓度最小,根据离子浓度和Ksp进行计算
c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2
第二步电离平衡常数表达式中含有这两种离子,故c(H+)=c(HCO3-)c(CO32-)×Ka2=2×5.0×10-11 mol·L-1=1.0×10-10 mol·L-1
【失分警示】(1)不能理解“尽可能多地提取RE3+”即不能生成(C11H23COO)2Mg沉淀,无法回答第(1)问;
(2)不能充分发掘题干信息从而无法根据Ksp计算回答第(2)问;
(3)忽略“脱氟”后即为Na2SiF6的饱和溶液,从而不能根据Na2SiF6的溶度积Ksp求算c(Na+)、c(SiF62-)。
水溶液中离子平衡的计算
1.计算的依据——四大常数
(1)类型
名称
水的离子积常数
弱电解质电离平衡常数
盐的水解平衡常数
溶度积常数
符号
KW
Ka或Kb
Kh
Ksp
(2)相关规律
①平衡常数都只与温度有关,温度不变,平衡常数不变。
②Qc与K的关系——二者表达式相同
若Qc
若Qc>K,平衡逆向移动。
③Ka(或Kb)、Kh、KW三者的关系式:
一元弱酸强碱盐
一元强酸弱碱盐
二元弱酸强碱盐
Kh=Kw/Ka
Kh=Kw/Kb
Kh1=Kw/Ka2
Kh2=Kw/Ka1
2.溶度积计算的几种类型
考查角度
计算技巧
判断沉淀的生成或沉淀是否完全
①把离子浓度数据代入Ksp表达式得Q,若Q>Ksp,则有沉淀生成
②利用Ksp的数值计算某一离子浓度,若该离子浓度小于10-5 mol·L-1,则该离子沉淀完全
常温下,计算氢氧化物沉淀开始和沉淀完全时的pH
①根据氢氧化物的Ksp,先计算初始浓度溶液中c(OH-),再求得溶液的pH
②金属阳离子沉淀完全时的离子浓度为10-5 mol·L-1,依据Ksp可计算金属阳离子沉淀完全时溶液中的c(OH-),进而求得pH
计算沉淀转化反应的平衡常数,并判断沉淀转化的程度
依据沉淀的转化反应和Ksp,计算该反应的平衡常数,K值越大,转化反应越易进行,转化程度越大
沉淀先后的计算与判断
①若沉淀类型相同,则Ksp小的化合物先沉淀;
②若沉淀类型不同,则需要根据Ksp计算出沉淀时所需离子浓度,所需离子浓度小的先沉淀
1.工业以炼钢污泥(主要成分为铁的氧化物,还含有CaO、SiO2、C等杂质)为原料制备脱硫剂活性Fe2O3·H2O,并用该脱硫剂处理沼气中H2S的流程如下:
(1)“除杂”:若使还原后的滤液中Ca2+完全沉淀(离子浓度小于10-6 mol·L-1),则滤液中c(F-)需大于________________;若溶液的pH偏低,将会导致CaF2沉淀不完全,其原因是________________________ [Ksp(CaF2)=1.44×10-10,Ka(HF)=3.53×10-4]。
(2)“沉铁”:生成FeCO3沉淀的离子方程式为 ______________________________
_______________________________。
2.锌电解阳极泥(主要成分为MnO2、PbSO4和ZnO,还有少量锰铅氧化物Pb2Mn8O16和Ag)是冶锌过程中产生的废渣,一种回收锌电解阳极泥中金属元素锌、锰、铅和银的工艺如图。回答下列问题:
加入Na2CO3溶液的目的是将PbSO4转化为PbCO3,Na2CO3溶液的最小浓度为________mol·L-1(保留两位小数)。判断沉淀转化能否彻底进行并说明理由
________________________________________。[已知:20 ℃时Ksp(PbSO4)=
1.6×10-8 mol2·L-2,Ksp(PbCO3)=7.4×10-14 mol2·L-2,1.262≈1.6]
3.钼酸锂(Li2MoO4)的外观为白色结晶粉末,易溶于水,难溶于有机溶剂,用于电极材料、金属陶瓷的制作。工业上以某精选钼矿(主要含MoS2,还含有少量CuFeS2)为原料制备Li2MoO4,其工艺流程如图:
回答下列问题:
钼酸铅(PbMoO4)难溶于水,其Ksp=a,常用作钼的质量检定。在100 mL 0.1 mol·L-1 Li2MoO4溶液中,加入100 mL b mol·L-1 Pb(NO3)2溶液,使MoO42-恰好沉淀完全,即c(MoO42-)=1×10-5 mol·L-1,则b=________(忽略混合时溶液体积的变化)。
1.三氧化二铬(Cr2O3)可用作着色剂、分析试剂、催化剂等。一种利用铬铁矿(主要成分为FeO、Cr2O3,还含有Al2O3、SiO2等杂质)清洁生产Cr2O3的工艺流程如图:
已知:①铬铁矿的成分及含量(以氧化物形式表示):
成分
Cr2O3
FeO
SiO2
Al2O3
其他
质量分数
45.0%
32.5%
11.5%
10.8%
0.2%
②金属离子开始沉淀与完全沉淀的pH如下:
金属离子
Fe3+
Al3+
Cr3+
Fe2+
开始沉淀的pH
2.7
3.4
5.0
7.5
完全沉淀的pH
3.7
4.9
5.9
9.7
③铬酸酐(CrO3)常用作氧化剂;
④铁铵矾的化学式为NH4Fe(SO4)2·12H2O,在pH=3时完全沉淀。回答下列问题:
(1)“氧化酸浸”前,常将铬铁矿粉碎,目的是________________________________, 滤渣1的成分是_____________________________________。
(2)铬酸酐的作用是____________________,“氧化酸浸”时FeO·Cr2O3反应的化学方程式是__________________________________________________________。
(3)“沉淀”时,应调节pH不低于________,滤液1的成分主要是______________________(填化学式)。
(4)“除铝”一步的离子方程式是 ______________________________________。
(5)若处理1 kg铬铁矿,至少需要消耗铬酸酐的质量是________g。(保留一位小数)
2.电解锰渣主要含MnSO4、MnO2、PbSO4、CaSO4及少量的SiO2、Fe2(SO4)3。利用电解锰渣回收铅的工艺如图所示:
已知:Ksp(PbSO4)=2.6×10-8,Ksp(PbCO3)=7.4×10-14,Ksp(CaCO3)=2.8×10-9;
回答下列问题:
(1)“还原酸浸”时,MnO2被还原的离子方程式为 ____________________。
(2)“浸出液”含有的盐类主要有MnSO4和少量的CaSO4、____________,经除杂后得到精制MnSO4溶液。图为MnSO4的溶解度随温度的变化曲线,从精制MnSO4溶液中获得MnSO4晶体的方法为___________________________。
(3)“浸铅”反应PbSO4+2CH3COO-Pb(CH3COO)2+SO42-能发生的原因是__
______________________________________________________。
(4)若“浸铅”后所得溶液中c(Pb2+)=c(Ca2+)=0.1 mol·L-1,为实现铅与钙的分离,应控制“沉铅”溶液中c(CO32-)的范围为____________mol·L-1。(当溶液中金属离子浓度小于10-5 mol·L-1,可以认为该离子沉淀完全)
(5)“沉铅”时,若用同浓度的(NH4)2CO3溶液代替NH4HCO3溶液,会生成Pb2(OH)2CO3。原因是 ______________________________________。
(6)“沉铅”的主要副产物除CH3COONH4外,还有____________。
3.一种从钼镍废催化剂(主要含MoS2、NiS、Al2O3、SiO2以及C)中回收镍和钼的工艺流程如图:
回答下列问题:
(1)写出“焙烧”时产生的CO2的电子式:______________。
(2)“焙烧”时,MoS2首先转化为MoO3,写出该反应的化学方程式:__。
(3)写出滤液中溶质的一种工业用途: ____________________;
“净化2”时,发生反应的离子方程式为 ____________________。
(4)已知常温下,Ksp(CaMoO4)=1.46×10-8;Ksp(CaCO3)=3.36×10-9,由CaMoO4制备Na2MoO4的方法是 ______________________________________。
(5)已知NiO是不溶于水的碱性氧化物,由浸渣“除铝”所用的试剂是______________;“酸溶”得到的溶液制备NiSO4·7H2O的操作方法是________________、过滤、洗涤、干燥。
(6)若废催化剂中含160 g MoS2,上述工艺中获得CaMoO4的质量为190 g,则CaMoO4的产率为____________________________________。
4.以钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有MgO、CaO、SiO2等杂质)为原料合成锂离子电池的电极材料钛酸锂(Li4Ti5O12)和铁红(Fe2O3)的工艺流程如图:
回答下列问题:
(1)已知FeTiO3与盐酸反应后有TiOCl2生成,写出该反应的化学方程式:__。
(2)“酸浸”过程中,用不同溶剂溶解HCl,图中a为HCl—CH3OH(无水)、b为HCl—H2O(3 mol·L-1盐酸)、c为HCl—CH3OH—H2O(H2O占体积比50%);图甲表示在35 ℃时铁和钛的浸出率随时间的变化,图乙表示铁和钛的浸出率随温度的变化:
根据上图,可知“酸浸”时适宜选择的溶剂为________(填“a”“b”或“c”)、温度为________;在HCl浓度相同的情况下,温度高于35 ℃时,铁和钛的浸出率下降的原因是____________________________________________________________。
(3)“溶钛”时生成过氧化钛酸铵[(NH4)2Ti5O15],其中每个分子中含有过氧键(O—O)的数目为_________________________________________________________个。
(4)“沉铁”过程中生成一种能使澄清石灰水变浑浊的气体,该过程的离子方程式为 __________________________________________________________。
(5)“沉铁”过滤后,“洗涤”沉淀的操作方法是 _______________________。
(6)FeCO3达到沉淀溶解平衡时,室温下测得溶液的pH为8,c(Fe2+ )为1.0 ×10-5 mol·L-1,通过计算判断所得FeCO3固体中是否混有Fe(OH)2: ______________
{已知:Ksp[Fe(OH)2]=4.9×10-17}。
5.为解决钒、铬资源的利用问题,我国进行了钒铬渣分离提取钒铬的技术研究,某种提取钒铬的工艺流程如下。
已知:
①钒铬渣中含有V2O3、Cr2O3及SiO2、Fe2O3、FeO等
②“沉钒”时析出正五价含氧酸铵盐
③25 ℃时,Cr(OH)3的溶度积常数为6.4×10-31;
lg4=0.6
回答下列问题:
(1)钒铬渣“氧化焙烧”之前通常要将原料粉碎,其目的是________________。
(2)“氧化焙烧”时,钒铬渣中化合价发生变化的三种元素的价层电子排布式为________、________、________。
(3)“除杂”产生的滤渣2的成分是____________(用化学式表示)。
(4)写出紧接“沉钒”的“煅烧”反应的化学方程式 __________________________。
(5)“还原”溶液中的Cr2O72-时发生反应的离子方程式为_____________________。
已知双氧水还原Cr2O72-的效率在40 ℃时最高,解释原因___________________。
(6)“沉铬”过程中,含铬元素的离子刚好完全沉淀时,溶液的pH=________(已知溶液中离子浓度小于10-5 mol·L-1时认为已完全沉淀)。
题型3:无机化工生产流程题
考向1
【典例】【解析】(1)原料表面含有少量的油污,Na2CO3溶液呈碱性,可以除去原料表面的油污;(2)黄铁矿研细的主要目的是增大固液接触面积,加快反应速率,提高黄铁矿的利用率;(3)a.联合焙烧时,进一步粉碎矿石,可以增大矿石与空气的接触面积,能够提高焙烧效率,选项a符合题意;b.鼓入适当过量的空气有利于矿石充分反应,选项b符合题意;c.降低焙烧温度,反应速率减慢,不利于提高焙烧效率,选项c不符合题意。
答案:(1)除油污 (2)增大固液接触面积,加快反应速率,提高黄铁矿的利用率 (3)ab
1.【解析】从反应速率的影响因素分析,将菱锶矿、焦炭混合粉碎的目的是增大接触面积,加快反应速率;提高原料的转化率。
答案:增大接触面积,加快反应速率;提高原料的转化率
2.【解析】由“已知”中“混合焙烧”后烧渣的成分可知,此操作目的为将硫化物转化为金属氧化物。
答案:将硫化物转化为金属氧化物
3.【解析】根据信息i)二价金属氧化物分别与氨络合,Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)能与氨络合生成[Fe(NH3)2]2+、[Mn(NH3)2]2+,根据信息ii)可知,pH=11.6,Eh=0.70V时,Fe(Ⅱ)转化成FeOOH,Mn(Ⅱ)转化成α-MnO2,避免浸出时溶解;故答案为将含锌烟灰中的铁(Ⅱ)和锰(Ⅱ)分别氧化为FeOOH和α-MnO2,避免其在浸出时溶解。
答案:将含锌烟灰中的铁(Ⅱ)和锰(Ⅱ)分别氧化为FeOOH和α-MnO2,避免其在浸出时溶解
考向2
【典例】【解析】(1)根据图中的坐标信息,酸解后,在所得100 ℃、P2O5%为45的混合体系中,石膏存在形式为CaSO4·0.5H2O;CaSO4在硫酸中的溶解度小于在水中的,因此,洗涤时使用一定浓度的硫酸溶液而不使用水的原因是减少CaSO4的溶解损失,提高产品石膏的产率;由图甲信息可知,温度越低,越有利于实现酸解所得石膏结晶的转化,由图乙信息可知,65 ℃时,位于65 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于65 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在;80 ℃时,位于80 ℃线上方的晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,位于80 ℃线下方的晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在;已知酸解后所得100 ℃、P2O5%为45的混合体系中石膏存在形式为CaSO4·0.5H2O;P2O5%=15、SO3%=15,由图乙信息可知,该点坐标位于65 ℃线下方,故能实现晶体的完全转化,A符合题意;P2O5%=10、SO3%=20,由图乙信息可知,该点坐标位于80 ℃线上方,晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,故不能实现晶体的完全转化,B不符合题意;P2O5%=10、SO3%=30,由图乙信息可知,该点坐标位于65 ℃线上方,晶体全部以CaSO4·0.5H2O形式存在,故不能实现晶体转化, C不符合题意;P2O5%=10、SO3%= 10,由图乙信息可知,该点坐标位于80 ℃线下方,晶体全部以CaSO4·2H2O形式存在,故能实现晶体的完全转化,D符合题意,综上所述,能实现酸解所得石膏结晶转化的是AD。
(2)加入浓盐酸后,溶液中含有的离子主要为Bi3+、Fe3+、Mn2+、H+、Cl-,而酸浸后取滤液进行转化,故要防止金属离子水解生成沉淀,进入滤渣,造成制得的BiOCl产率偏低。
(3)中和时调节溶液pH目的是将[Al(OH)4]-、SiO32-转化为沉淀过滤除去,由图可知,当溶液pH≥4.5时,Al3+除尽,当溶液pH>9.3时,H2SiO3会再溶解生成SiO32-,因此中和时pH的理论范围为4.5≤pH≤9.3;将Al元素和Si元素除去后,溶液中Cr元素主要以Cr2O72-和CrO42-形式存在,溶液中存在平衡:2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O,降低溶液pH,平衡正向移动,可提高Na2Cr2O7的产率。
答案:(1)CaSO4·0.5H2O 减少CaSO4的溶解损失,提高产品石膏的产率 AD (2)抑制金属离子水解
(3)4.5≤pH≤9.3 使2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O平衡正向移动,提高Na2Cr2O7的产率
1.【解析】(1)粉碎精硫锗矿的目的是增大固体表面积,加快GeS2的升华速率。800 ℃,使精硫锗矿在N2氛围中升华的原因是升华过程中需要加热,在氮气中进行可以避免GeS2被氧化,得到较为纯净的GeS2。
(2)浓硝酸受热易分解,所以酸浸时温度不能过高;GeO2不溶于酸,所以酸浸后得到粗GeO2的操作为过滤。
答案:(1)增大固体表面积,加快GeS2的升华速率 避免GeS2被氧化,得到较为纯净的GeS2 (2)浓硝酸受热易分解 过滤
2.【解析】(1)钒渣在焙烧过程中LiV2(PO4)3生成NaVO3,加入SO2后被还原为VO2+。“沉钒”时,加入KClO3不能过量的原因是KClO3氧化VO2+时,生成Cl-,过量KClO3与Cl-生成氯气污染环境;由V元素存在形式和pH表可知,pH约为2时以V2O5形式存在,则“沉钒”时加硫酸最终需要控制pH约为2;
(2)草酸具有强还原性,溶解“滤渣Ⅱ”时,V2O5与草酸发生氧化还原反应得到V2(C2O4)3和CO2,反应方程式为V2O5+5H2C2O4===V2(C2O4)3+4CO2↑+5H2O;已知草酸受热易分解,温度超过70 ℃滤渣Ⅱ溶解速率反而减慢的可能原因是超过70 ℃,草酸受热分解。
答案:(1)KClO3氧化VO2+时,生成Cl-,过量KClO3与Cl-生成氯气污染环境 2 (2)V2O5+5H2C2O4===V2(C2O4)3+4CO2↑+5H2O 超过70 ℃,草酸受热分解
考向3
【典例】【解析】(1) “操作X”的结果是分离出月桂酸,由信息可知,月桂酸熔点为44 ℃、难溶于水,故“操作X”的过程为先冷却结晶,再固液分离。(2)已知黄铁矿高温煅烧生成Fe2O3,反应原理为4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,故产生的红渣主要成分为Fe2O3和SiO2,将红渣粉碎后加入足量的50%的H2SO4溶液加热充分酸浸,反应原理为Fe2O3+3H2SO4===Fe2(SO4)3+3H2O,过滤出滤渣①,主要成分为SiO2,向滤液中加入黄铁矿进行还原,将Fe3+还原为Fe2+,则硫元素被氧化为SO42-,反应原理为14Fe3++FeS2+8H2O===15Fe2++2SO42-+16H+,然后进行工序①为蒸发浓缩、冷却结晶,得到FeSO4晶体和母液,母液主要含有FeSO4溶液和H2SO4,过滤洗涤得到FeSO4晶体。
答案:(1)冷却结晶 (2)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤
1.【解析】操作Ⅲ是从溶液中得到晶体,根据绿矾的性质可知其具体操作依次是蒸发浓缩,降温结晶,过滤;绿矾带有结晶水,烘干时温度过高会失去结晶水,故需要减压烘干。
答案:蒸发浓缩,降温结晶,过滤 绿矾带有结晶水,烘干时温度过高会失去结晶水,故需要减压烘干
2.【解析】Li2CO3的溶解度随温度的升高而逐渐减小,为了获得更多更纯的Li2CO3固体,“系列操作”依次为蒸发结晶、趁热过滤、热水洗涤和干燥。
答案:蒸发结晶、趁热过滤、热水洗涤
考向4
【典例】【解析】(1)向80~90 ℃滤液①中加入KMnO4溶液,可氧化Fe2+,得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②,反应的离子方程式为3Fe2++MnO4-+7H2O===
3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+;
(2)沉铁工序中产生的白色沉淀Fe(NH4)2Fe(CN)6中Fe的化合价为+2价,[Fe(CN)6]3-中Fe的化合价为+3价,氧化工序所发生的离子方程式为6Fe(NH4)2Fe(CN)6+ClO3-+6H+===6Fe(NH4)Fe(CN)6+3H2O+Cl-+6NH4+;
(3)根据信息反应物为CeO2与H2O2,产物为Ce3+和O2,根据电荷守恒和元素守恒可知其离子方程式为2CeO2+H2O2+6H+===2Ce3++O2↑+4H2O。
答案:(1)3Fe2++MnO4-+7H2O===3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+
(2)+2、+3
6Fe(NH4)2Fe(CN)6+ClO3-+6H+===6Fe(NH4)Fe(CN)6+3H2O+Cl-+6NH4+
(3)2CeO2+H2O2+6H+===2Ce3++O2↑+4H2O
1.【解析】(1)“氧化焙烧”步骤中,BaO不参与反应,由流程可知CeFCO3与通入的氧气发生氧化还原反应生成CeO2、CeF4和CO2。(2)滤液A中CeF3+能溶于有机物TBP,振荡静置后的水层与有机层采用分液方法进行分离;由流程可知,有机层A中加入“洗氟液”后,分离出含F-溶液,F-浓度减小,平衡CeF3++TBPCeTBP4++F-正向移动,CeF3+转化为CeTBP4+;由流程可知,有机层B中CeTBP4+在酸性条件下与H2O2发生氧化还原反应。
答案:(1)4CeFCO3+O23CeO2+CeF4+4CO2
(2)分液 2CeTBP4++H2O2===2Ce3++O2↑+2H++2TBP
2.【解析】(1)根据题意,“酸浸”时,Pd转化PdCl42-,其离子方程式为3Pd+ClO3-+6H++11Cl-===3PdCl42-+3H2O;
(2)“沉淀”时,[Pd(NH3)4]2+转化为[Pd(NH3)2]Cl2沉淀,其化学方程式为[Pd(NH3)4]Cl2+2HCl===[Pd(NH3)2]Cl2↓+2NH4Cl。
答案:(1)3Pd+ClO3-+6H++11Cl-===3PdCl42-+3H2O
(2)[Pd(NH3)4]Cl2+2HCl===[Pd(NH3)2]Cl2↓+2NH4Cl
考向5
【典例】【解析】(1)滤液2中Mg2+浓度为2.7 g·L-1,即0.112 5 mol·L-1,根据Ksp[(C11H23COO)2Mg]=c(Mg2+)·c2(C11H23COO-),若要加入月桂酸钠后只生成(C11H23COO)3RE,而不产生(C11H23COO)2Mg,则c(C11H23COO-)<
Ksp[(C11H23COO)2Mg]c(Mg2+)=1.8×10-80.1125=4×10-4 mol·L-1;
(2)精制Ⅰ中,按物质的量之比n(Na2CO3)∶n(SiF62-)=1∶1加入Na2CO3脱氟,该反应的化学方程式为H2SiF6+Na2CO3===Na2SiF6↓+CO2↑+ H2O,充分反应后得到沉淀Na2SiF6,溶液中有饱和的Na2SiF6,且c(Na+)=2c(SiF62-),根据Na2SiF6的溶度积可知Ksp=c2(Na+)·c(SiF62-)=4c3(SiF62-),c(SiF62-) =34.0×10-64=1.0×10-2 mol·L-1,因此c(Na+)=2c(SiF62-)=2.0×10-2 mol·L-1;同时,粗磷酸中还有硫酸钙的饱和溶液,c(Ca2+)=c(SO42-)=9.0×10-4=3.0×10-2 mol·L-1;分批加入一定量的BaCO3,当BaSiF6沉淀开始生成时,c(Ba2+)=1.0×10-61.0×10-2=1.0×10-4 mol·L-1,当BaSO4沉淀开始生成时,c(Ba2+)=1.0×10-103.0×10-2≈3.3×10-9 mol·L-1,因此,首先转化为沉淀的离子是SO42-,然后才是SiF62-。
(3)某温度下,吸收塔中K2CO3溶液吸收一定量的CO2后,c(CO32-)∶c(HCO3-)=1∶2,由Ka2=c(CO32-)·c(H+)c(HCO3-)可知,c(H+)=c(HCO3-)c(CO32-)×Ka2=2×5.0×10-11 mol·L-1=1.0×10-10 mol·L-1,则该溶液的pH=10。
答案:(1)4.0×10-4 (2)2.0×10-2 SO42- (3)10
1.【解析】(1)由于CaF2的溶度积常数Ksp(CaF2)=1.44×10-10,c(Ca2+)=1.0×10-6 mol·L-1,则c(F-)=1.44×10-101.0×10-6 mol·L-1=1.2×10-2 mol·L-1。若溶液的pH偏低,溶液中的H+与F-会形成弱酸HF,导致溶液中F-浓度减小,CaF2沉淀就不完全。
(2)在沉铁时,溶液中的Fe2+与HCO3-、NH3·H2O反应产生FeCO3沉淀、NH4+和水,反应的离子方程式为Fe2++HCO3-+NH3·H2O===FeCO3↓+NH4++ H2O。
答案:(1)1.2×10-2 mol·L-1 pH偏低形成HF,导致溶液中F-浓度减小,CaF2沉淀不完全
(2)Fe2++HCO3-+NH3·H2O===FeCO3↓+NH4++ H2O
2.【解析】由题中信息可知,加入Na2CO3溶液是将PbSO4转化为PbCO3,即PbSO4(s)+CO32-(aq)PbCO3(s)+SO42-(aq),因为PbSO4的Ksp(PbSO4)=1.6×10-8 mol2·L-2,所以溶液中c(Pb2+)=Ksp(PbSO4)=1.6×10-8mol2·L-2≈1.26×10-4 mol·L-1,生成PbCO3时,CO32-的最小浓度为c(CO32-)=Ksp(PbCO3)c(Pb2+)=7.4×10-14mol2·L-21.26×10-4mol·L-1≈5.87×10-10 mol·L-1;由PbSO4(s)+CO32-(aq)PbCO3(s)+SO42-(aq)可知,平衡常数K=c(SO42-)c(CO32-)=c(SO42-)×c(Pb2+)c(CO32-)×c(Pb2+)=Ksp(PbSO4)Ksp(PbCO3)=
1.6×10-8mol2·L-27.4×10-14mol2·L-2=2.16×105>1×105,所以能彻底转化。
答案:5.87×10-10 该沉淀转化反应能彻底进行,因为该沉淀转化反应的平衡常数为K=Ksp(PbSO4)Ksp(PbCO3)=2.16×105>1×105,所以能彻底进行
3.【解析】加入Pb2+作用是与MoO42-结合生成PbMoO4沉淀。与MoO42-结合生成PbMoO4沉淀所消耗的Pb2+的物质的量为0.1 mol·L-1×0.1 L=0.01 mol。根据Ksp(PbMoO4)=c(Pb2+)·c(MoO42-)=a,当c(MoO42-)=1×10-5 mol·L-1时,c(Pb2+)=a×105 mol·L-1,混合后溶液总体积为0.2 L,故溶液中的Pb2+的物质的量为0.2 L×a×105 mol·L-1=0.2a×105mol。则总加入的Pb2+的物质的量为(0.01+0.2a×105)mol,由于其体积为100 mL,故其浓度为(0.1+2a×105)mol·L-1。
答案:0.1+2a×105
1.【解析】铬铁矿加入稀硫酸与金属氧化物反应生成硫酸盐,SiO2不与稀硫酸反应而成为滤渣1,铬酸酐(CrO3)常用作氧化剂,将Fe2+氧化为Fe3+,加入氨气调节pH至3.0沉铁为铁铵矾,加入氨气完全沉淀Al3+与Cr3+,利用Al(OH)3的两性,加入NaOH溶液生成NaAlO2成为滤液2,Cr(OH)3沉淀煅烧生成Cr2O3;
(1)“氧化酸浸”前,常将铬铁矿粉碎,目的是增大反应物接触面积,提高反应速率;加入稀硫酸不与SiO2反应而成为滤渣1,则主要成分是SiO2;
(2)已知铬酸酐(CrO3)常用作氧化剂,其作用是将Fe2+氧化为Fe3+;“氧化酸浸”时FeO·Cr2O3与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和硫酸铬,铬酸酐(CrO3)将硫酸亚铁氧化为硫酸铁,则反应的化学方程式是6FeO·Cr2O3+30H2SO4+ 2CrO3===3Fe2(SO4)3+7Cr2(SO4)3+30H2O;
(3)“沉淀”时为了得到Cr(OH)3沉淀,即完全沉淀Cr3+,应调节pH不低于5.9;滤液1的成分主要是(NH4) 2SO4;
(4)“除铝”中加入NaOH溶液与Al(OH)3反应生成NaAlO2和水,反应的离子方程式是Al(OH)3+OH-===AlO2-+2H2O;
(5)由表知铬铁矿中FeO质量分数为32.5%,根据
6FeO·Cr2O3+30H2SO4+ 2CrO3===3Fe2(SO4)3+7Cr2(SO4)3+30H2O,可得关系式
6FeO2CrO3
6×722×100
1 000 g×32.5% m,
解得消耗铬酸酐的质量是m≈150.5 g。
答案:(1)增大反应物接触面积,提高反应速率 SiO2
(2)将Fe2+氧化为Fe3+
6FeO·Cr2O3+30H2SO4+ 2CrO3===3Fe2(SO4)3+7Cr2(SO4)3+30H2O
(3) 5.9 (NH4) 2SO4
(4)Al(OH)3+OH-===AlO2-+2H2O (5)150.5
2.【解析】本题是一道制备碳酸铅的工业流程题,原料是电解锰渣,首先在酸性条件下用硫化铅还原二氧化锰,之后加入乙酸铵溶解出铅,过滤除杂,在滤渣中加入碳酸氢铵生成碳酸铅。
(1)MnO2、PbS、PbSO4均为固体,写成离子方程式时不能拆开,其中MnO2被还原为二价锰离子,PbS中的S被氧化为硫单质,则离子方程式为MnO2+PbS+4H++SO42-===Mn2++PbSO4+S+2H2O;
(2)Fe2(SO4)3与PbS反应,三价铁离子被还原为亚铁离子,因此含有FeSO4;由MnSO4的溶解度随温度的变化曲线可知,20 ℃之后,随温度升高,溶解度逐渐下降,因此采用蒸发结晶,趁热过滤,洗涤的方法获得MnSO4晶体;
(3)“浸铅”反应能发生是因为醋酸铅比硫酸铅更难电离,故答案为CH3COO-结合Pb2+形成更难电离物质,使PbSO4(s)Pb2+(aq)+SO42-(aq)平衡正向移动;
(4)当溶液中金属离子浓度小于10-5mol ·L-1时,可以认为该离子沉淀完全,则当铅离子完全沉淀时,c(CO32-)=Ksp(PbCO3)c(Pb2+)=7.4×10-1410-5=7.4×10-9 mol·L-1,使钙离子开始沉淀的c(CO32-)=Ksp(CaCO3)c(Ca2+)=2.8×10-90.1=2.8×10-8 mol·L-1,因此溶液中c(CO32-)的范围为7.4×10-9 mol·L-1~2.8×10-8mol·L-1或7.4×10-9mol·L-1
(6)由于“沉铅”反应PbSO4+2CH3COONH4Pb(CH3COO)2+(NH4)2SO4,所以还含有(NH4)2SO4。
答案:(1)MnO2+PbS+4H++SO42-===Mn2++PbSO4+S+2H2O
(2)FeSO4 蒸发结晶,趁热过滤,洗涤
(3)CH3COO-结合Pb2+形成更难电离物质,使PbSO4(s)Pb2+(aq)+SO42-(aq)平衡正向移动
(4)7.4×10-9~2.8×10-8 (5)CO32-更易水解生成OH-,从而易生成Pb2(OH)2CO3 (6)(NH4)2SO4
3.【解析】钼镍废催化剂(主要含MoS2、NiS、Al2O3、SiO2以及C)中回收镍和钼,钼镍废催化剂加入Na2CO3焙烧,MoS2和NiS在高温条件下与氧气、Na2CO3反应生成Na2MoO4、Na2SiO3、NiO,然后加水水浸,过滤除去NiO、Al2O3,滤渣经过除铝,得到NiO,NiO和硫酸反应生成NiSO4溶液,经过分离操作得到NiSO4·7H2O;滤液加入MgCl2调节pH=8~9,使Na2SiO3转化为MgSiO3除去;再加入盐酸,调节pH≈6,过量的偏铝酸根离子转化为氢氧化铝,过滤除去,然后加入CaCl2调节pH≈8,Na2MoO4转化为CaMoO4沉淀,同时得到含氯化钠的滤液。(1)CO2为共价化合物,C原子和O原子间共用2对电子,电子式为;(2)“焙烧“时,MoS2首先转化为MoO3,该反应的化学方程式:2MoS2+7O2 4SO2+2MoO3;(3)滤液中溶质为NaCl,工业可以用于制造氯气、纯碱,“净化2”时,发生反应的离子方程式为AlO2-+H++H2O===Al(OH)3↓;(4)已知常温下,Ksp(CaMoO4)=1.46×10-8、Ksp(CaCO3)=3.36×10-9,由于CaMoO4、CaCO3的溶度积接近,所以可由CaMoO4制备Na2MoO4的方法是用浓Na2CO3溶液充分浸取CaMoO4固体,过滤;(5)已知NiO是不溶于水的碱性氧化物,根据氧化铝溶于氢氧化钠,则由浸渣“除铝”所用的试剂是氢氧化钠溶液;酸溶得到的溶液制备NiSO4·7H2O的操作方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥;(6)160 g MoS2的物质的量为160g160g·mol-1=1 mol,根据Mo元素守恒,理论获得CaMoO4的质量为1 mol×200 g·mol-1=200 g,则CaMoO4的产率为190g200g×100%=95%。
答案:(1) (2)2MoS2+7O24SO2+2MoO3
(3)制造氯气、纯碱 AlO2-+H++H2O===Al(OH)3↓
(4)用浓Na2CO3溶液充分浸取CaMoO4固体,过滤
(5)氢氧化钠溶液 蒸发浓缩、冷却结晶 (6)95%
4.【解析】钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有MgO、CaO、SiO2等杂质),经盐酸酸浸,生成TiOCl2、FeCl2、MgCl2、CaCl2,过滤除去SiO2,滤液加热可以得到富钛渣和富铁液,富钛渣加双氧水和氨水“溶钛”时生成过氧化钛酸铵[(NH4)2Ti5O15],煅烧生成TiO2,加入Li2CO3生成Li4Ti5O12;富铁液加入NH4HCO3“沉铁”,生成CO2气体和FeCO3沉淀,在空气中煅烧FeCO3可以得到铁红。
(1)结合原子守恒可知,FeTiO3与盐酸反应生成TiOCl2的同时生成FeCl2和H2O,化学方程式为FeTiO3+4HCl===FeCl2+ TiOCl2+2H2O;(2)根据题图甲可知,在相同温度下采用a组溶剂浸出率最高,由题图乙可知, 35 ℃时浸出率最高,故“酸浸”时采用的最佳条件为选用a组溶剂、温度35 ℃。由图乙可知35 ℃时铁和钛的浸出率最高,因为HCl易挥发,当温度过高时,HCl挥发加剧,导致HCl浓度下降,浸出率下降;(3)[(NH4)2Ti5O15]中,NH4+为+1价、Ti为+4价,设每个分子中有x个过氧键,则-2价O为(15-2x)个,从而有2×1+5×4 =2x+2×(15-2x),解得x=4,即每个[(NH4)2Ti5O15]中有4个过氧键;(4)根据分析可知“沉铁”时,在FeCl2溶液中加入NH4HCO3,由于HCO3-存在电离HCO3-H+ +CO32-;电离出的CO32-与Fe2+结合生成FeCO3,电离出的H+与HCO3-反应生成CO2和H2O,故对应的离子方程式为Fe2+ + 2HCO3-===FeCO3↓+CO2↑+H2O;(5)“沉铁”过滤后,“洗涤”沉淀的操作是在过滤器中加蒸馏水浸没固体,待液体自然流下,重复操作2~3次;(6)由溶液的pH为8,c(Fe2+ )=1.0 ×10-5 mol·L-1,可知Qc=c(Fe2+ )×c2(OH- )=1.0 ×10-5×(1.0×10-6)2=1.0 ×10-17
(2)a 35 ℃ 温度高于35 ℃时,HCl大量挥发,则导致HCl浓度降低,浸出率下降
(3)4 (4)Fe2+ + 2HCO3-===FeCO3↓+CO2↑+H2O
(5)在过滤器中加蒸馏水浸没固体,待液体自然流下,重复操作2~3次
(6)c(Fe2+)·c2(OH- )=1.0×10-5×(1×10-6)2=1.0×10 -17
答案:(1)增加反应物之间的接触面积,加快反应速率
(2)3d34s2 3d54s1 3d64s2
(3)H2SiO3 (4)2NH4VO3V2O5+2NH3↑+H2O
(5)Cr2O72-+3H2O2+8H+===2Cr3++3O2↑+7H2O 低于40℃,H2O2还原Cr2O72-的反应速率随温度升高而增加;超过40 ℃,双氧水分解,浓度降低,导致还原Cr2O72-的反应速率降低 (6)5.6
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