第3章 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用-【名师导航】2025年高考化学一轮总复习课件（人教版）

第三章　铁 金属材料 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 1．硼及其化合物的性质 (1)硼 硼单质有晶体硼和无定形硼两种，晶体硼相当稳定，无定形硼比较活泼，能发生如下反应： ①高温下与N2、S、X2(X代表卤素原子)等单质反应，如2B＋N22BN。 ②高温下与金属反应生成金属硼化物。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 ③高温下与水反应：2B＋6H2O(g)＋3H2。 ④与热的浓硫酸或浓硝酸反应：2B＋3H2SO4(浓)2H3BO3＋3SO2↑、B＋3HNO3(浓)H3BO3＋3NO2↑。 (2)硼酸(H3BO3) ①一元弱酸＋H2O。 ②H3BO3受热时会逐渐脱水，首先生成偏硼酸(HBO2)，继续升温可进一步脱水生成四硼酸(H2B4O7)，更高温度时则转变为硼酸的酸酐(B2O3)。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 (3)硼氢化钠(NaBH4) 硼氢化钠中的氢元素为－1价，具有还原性，故其可用作醛类、酮类和酰氯类 的还原剂：   (4)硼砂(Na2B4O7·10H2O) ①制备：将偏硼酸钠溶于水形成较浓溶液，然后通入CO2调节pH，浓缩结晶分离出硼砂： 4NaBO2＋CO2＋10H2O===Na2B4O7·10H2O＋Na2CO3。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 ②将硼砂溶于水，用硫酸调节pH，可析出溶解度小的硼酸晶体：Na2B4O7＋H2SO4＋5H2O===4H3BO3↓＋Na2SO4。 2．铍及其化合物的性质 (1)铍 ①铍和锂一样，在空气中形成保护性氧化层，故在空气中即使红热时也很稳定。 ②不溶于冷水，微溶于热水，可溶于稀盐酸、稀硫酸和氢氧化钾溶液而放出氢气。 ③铍由于表面易形成致密的保护膜而不与水作用，而同族其他金属镁、钙、锶、钡均易与水反应。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 (2)氢氧化铍是两性的，而同族其他元素的氢氧化物均是中强碱或强碱性的。氢氧化铍是白色固体，在水中溶解度较小，它是两性氢氧化物，溶于酸形成Be2+，溶于碱形成[Be(OH)4]2-。 (3)铍盐强烈的水解生成四面体形的离子，因此铍盐在纯水中是酸性的，而同族其他元素(镁除外)的盐均没有水解作用。 (4)氧化铍：铍在氧气中燃烧得到白色粉末状的氧化铍(BeO)。BeO难溶于水，但能溶于酸生成铍盐，也能溶于碱生成铍酸盐，BeO是两性氧化物。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 3．锌及其化合物的性质 (1)锌 锌属于较活泼金属，具有金属的通性。 (2)氧化锌——两性氧化物 氧化锌与稀硫酸反应：ZnO＋H2SO4===ZnSO4＋H2O。 氧化锌与氢氧化钠溶液反应：ZnO＋2NaOH＋H2O===Na2[Zn(OH)4]。 (3)氢氧化锌 ①氢氧化锌与稀盐酸反应：Zn(OH)2＋2HCl===ZnCl2＋2H2O。 ②氢氧化锌与氢氧化钠溶液反应：Zn(OH)2＋2NaOH===Na2[Zn(OH)4]。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 考向1| 硼及其化合物 1．B、Al、Ga位于元素周期表中第ⅢA族。BF3为无色气体，主要用作有机合成中的催化剂，极易水解生成HBF4(HBF4在水中完全电离为H＋和)和硼酸(H3BO3)。硼酸是一元弱酸，能溶于水，硼酸和甲醇在浓硫酸存在下生成挥发性的硼酸甲酯[B(OCH3)3]，硼酸甲酯主要用作热稳定剂、木材防腐剂等。高温下，Al2O3和焦炭在氯气的氛围中获得AlCl3。GaN的结构与晶体硅类似，是第三代半导体研究的热点。下列化学反应表示不正确的是(　　) 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 A．制备B(OCH3)3：H3BO3＋3CH3OHB(OCH3)3↑＋3H2O B．BF3和NaOH溶液反应：＋3H2O C．高温下，Al2O3、焦炭在氯气中反应：Al2O3＋3C＋3Cl22AlCl3＋3CO D．电解Al2O3(熔融)制备Al的阳极反应：2O2-－4e－===O2↑ √ 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 B　解析：硼酸和甲醇在浓硫酸存在下生成挥发性的硼酸甲酯[B(OCH3)3]，则制备B(OCH3)3的反应为H3BO3＋3CH3OH B(OCH3)3↑＋3H2O，故A正确；BF3极易水解生成HBF4(HBF4在水中完全电离为H＋和)和硼酸(H3BO3)，硼酸是一元弱酸，则BF3和NaOH溶液的反应为＋2H2O，故B错误；高温下，Al2O3和焦炭在氯气的氛围中获得AlCl3，则高温下Al2O3、焦炭在氯气中的反应为Al2O3＋3C＋3Cl22AlCl3＋3CO，故C正确；电解Al2O3(熔融)制备Al的阳极反应为2O2-－4e－===O2↑，故D正确。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 2．(2024·济南模拟)综合利用研究发现，硼镁铁矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O，含有SiO2、FeO、Fe2O3等杂质)可以制备硼酸、铁红和碳酸镁等常用化工试剂，工艺流程图如下所示： 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 回答下列问题： (1)硼镁铁矿粉碎的目的是____________________________________________ __________________________________________________________________， “酸浸”中Mg2B2O5·H2O发生的离子反应是 __________________________________________________________________。 (2)为提高产品纯度，“净化”时用的试剂X为________________(填化学式)，如果将“净化”中①和②的顺序调换，会导致的结果是____________________ __________________________________________________________________。 (3)过滤所得碳酸镁需冷水洗涤后再进行干燥，证明碳酸镁固体洗涤干净的具体操作为______________________________________________________________ __________________________________________________________________。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 (4)不同条件下硼酸的萃取率图像如下所示： 萃取过程为________________(填“吸热”或“放热”)过程。增大pH会导致萃取率降低的原因是___________________________________________________ __________________________________________________________________。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 解析：(1)硼镁铁矿粉碎可以增大固液接触面积，增大浸取速率，提高浸取效率；“酸浸”中Mg2B2O5·H2O与酸发生的离子反应是Mg2B2O5·H2O＋4H＋===2Mg2+＋2H3BO3。(2)“净化”时，加入物质X是调节溶液的pH，将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀，为提高产品纯度，试剂X应为MgO或等；如果将“净化”中①和②的顺序调换，Fe2+未被氧化成Fe3+，从而未能转化成沉淀除去，导致铁元素不能彻底地分离，滤液中仍然含有Fe2+，导致所得碳酸镁不纯净。(3)若未洗涤干净，洗涤液中会有，则证明碳酸镁固体洗涤干净的具体操作为取少量最后一次洗涤液于一试管中，加入BaCl2溶液，若没有白色沉淀生成，则洗涤干净。(4)由图可知，温度越高，萃取率越低，则可知硼酸的萃取过程为放热过程。增大pH会导致萃取率降低的原因是当溶液的pH过高时，H3BO3的电离程度增大，硼酸以盐的形式存在，不利于萃取。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 答案：(1)增大固液接触面积，增大浸取速率，提高浸取效率　Mg2B2O5·H2O＋4H＋===2Mg2+＋2H3BO3 (2)MgO[或Mg(OH)2等]　铁元素不能彻底地分离，滤液中仍然含有Fe2+，导致所得碳酸镁不纯净 (3)取少量最后一次洗涤液于一试管中，加入BaCl2溶液，若没有白色沉淀生成，则洗涤干净 (4)放热　当溶液的pH过高时，硼酸以盐的形式存在，不利于萃取 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 考向2| 铍及其化合物 3．氧化铍(BeO)在航天航空等领域有着广泛的应用。一种以预处理后的硅铍矿(主要含BeO、Fe2O3、SiO2和FeO等)为原料提取BeO的流程如图所示： 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 已知：Be(OH)2具有两性，在强碱性溶液中可转化为[Be(OH)4]2-。 下列说法错误的是(　　) A．“酸浸”步骤所得滤渣①的主要成分为SiO2 B．滤液②经处理后可获得副产品Na2SO4·10H2O C．“碱溶”时，主要反应为Be(OH)2＋2OH－===[Be(OH)4]2- D．“水解”时，适当增大溶液pH有利于提高BeO的提取率 √ 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 D　解析：Fe2O3和FeO都是碱性氧化物，BeO属于两性氧化物，SiO2属于酸性氧化物，上述氧化物中只有SiO2不溶于稀硫酸，因此“酸浸”步骤所得滤渣①的主要成分为SiO2，故A正确；滤液①中主要含有的离子为H＋、Be2+、Fe3+、Fe2+和，加入NaOH溶液将pH调节至9，H＋被中和，Be2+、Fe3+、Fe2+转化为金属氢氧化物沉淀，滤液②为硫酸钠溶液，因此滤液②经处理后可获得副产品Na2SO4·10H2O，故B正确；Fe(OH)2和属于碱，Be(OH)2属于两性氢氧化物，“碱溶”时只有Be(OH)2溶解在NaOH溶液中，反应的离子方程式为，故C正确；滤液③的主要阴离子是[Be(OH)4]2-，[Be(OH)4]2-水解使溶液显碱性，增大溶液的pH，平衡向左移动，不利于[Be(OH)4]2-的水解，故D错误。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 4．铍有“超级金属”之称，是航天、航空、电子和核工业等领域不可替代的材料。以绿柱石[Be3Al2(SiO3)6]为原料制备金属铍的工艺如下所示： 已知：Na3FeF6难溶于水，Be2+可与过量OH－结合成[Be(OH)4]2-。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 回答下列问题： (1)“操作1”的目的是使烧结的固体在水浸过程中有较大的接触面积，则其名称是________________。 (2)烧结时，Na3FeF6与绿柱石作用除生成易溶于水的Na2BeF4外，还有铁、铝、硅的氧化物，该反应的化学方程式为___________________________________ __________________________________________________________________。 “滤渣1”中的酸性氧化物是_________________________________________。 (3)“过滤1”的滤液中需加入适量NaOH生成沉淀，但NaOH不能过量，原因是_________________________________________________________ (用离子方程式表示)。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 (4)已知Ksp[Be(OH)2]≈1.0×10-21，常温下Be2+恰好完全沉淀时[此时c(Be2+)＝1.0×10-5mol·L-1]的pH＝________________。 (5)BeCl2在熔融状态下不能导电，工业上用电解NaCl­BeCl2熔融混合物制备金属铍，可选用镍坩埚作电解槽的________________(填“阳极”或“阴极”)材料，电解总反应的化学方程式为______________________________________； 加入NaCl的主要目的是_____________________________________________。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 解析：(1)绿柱石[Be3Al2(SiO3)6]灼烧后得到固体混合物，为提高水浸效率，需要将固体粉碎，增加接触面积，“操作1”的名称是粉碎(或破碎、研磨)。与Be3Al2(SiO3)6作用生成易溶于水的Na2BeF4和Fe2O3、Al2O3、SiO2等固体难溶物，该反应的化学方程式为2Na3FeF6＋Be3Al2(SiO3)63Na2BeF4＋Al2O3＋Fe2O3＋6SiO2，“滤渣1”中的酸性氧化物是SiO2。(3)因为Be(OH)2呈两性，若“过滤1”的滤液中加入的NaOH过量，则会继续溶解而生成可溶性盐，所以后果是＋2OH－===[Be(OH)4]2-。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 (4)c(OH－)＝＝mol·L-1＝1.0×10-8mol·L-1，常温下，c(H＋)＝＝1.0×10-6mol·L-1，pH＝6。(5)若镍作阳极材料，则通电后易失电子而发生溶解，所以镍坩埚作电解槽的阴极材料，BeCl2(熔融)电解生成Be和氯气，发生反应的化学方程式为BeCl2(熔融)Be＋Cl2↑，从化学方程式看，NaCl没有参加反应，则加入NaCl的主要目的是增强熔融盐的导电性。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 答案：(1)粉碎(或破碎、研磨) 3Na2BeF4＋Al2O3＋Fe2O3＋6SiO2　SiO2 (3)Be(OH)2＋2OH－===[Be(OH)4]2- (4)6 (5)阴极　BeCl2(熔融)Be＋Cl2↑　增强熔融盐的导电性 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 考向3| 锌及其化合物 5．(双选)ZnO是一种常用的化学添加剂，以钢铁厂锌灰(主要成分为ZnO，含少量的CuO、MnO2、Fe2O3等)为原料制备氧化锌的工艺流程如下所示。下列说法错误的是(　　) 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 A．“浸取”过程中ZnO转变为[Zn(NH3)4]2+的离子方程式为ZnO＋3NH3·＋4H2O B．过滤1所得滤液中大量存在的离子有、Cu2+、 C．蒸出物用水吸收后可返回至“浸取”单元循环使用 D．“浸取”和“蒸氨”的操作均应在较高温度下进行 √ √ 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 BD　解析：“浸取”时，ZnO、CuO转化为[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+，MnO2、Fe2O3不反应，“过滤1”所得滤液中含有[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+、NH4HCO3、NH3·H2O，加入Zn时，发生反应：，从而除去杂质，“过滤2”所得滤液中主要含、NH4HCO3、NH3·H2O，经过“蒸氨”操作获得沉淀Zn2(OH)2CO3，最后煅烧获得ZnO。“浸取”过程中ZnO转变为[Zn(NH3)4]2+，结合加入的物质可得出离子方程式为ZnO＋3NH3·＋4H2O，A正确；CuO会发生和ZnO类似的反应，转化为，故“过滤1”所得滤液中不会大量存在Cu2+，B错误；“蒸氨”所得蒸出物为NH3，用水吸收后得到氨水，可返回至“浸取”单元循环使用，C正确；“浸取”时温度不宜过高，因为温度过高氨水易挥发，不利于形成[Zn(NH3)4]2+、，同时Zn2+、Cu2+水解程度增大，导致ZnO、CuO浸出率下降，D错误。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 6．四水合磷酸锌[Zn3(PO4)2·4H2O]是一种性能优良的绿色环保防锈颜料。实验室以锌灰(含Zn、ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等)为原料制备Zn3(PO4)2·4H2O的流程如下所示。下列说法正确的是(　　) 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 A．滤渣Ⅰ的主要成分是SiO2 B．“步骤Ⅰ”中，调节溶液的pH约为5后加KMnO4溶液发生反应的离子方程式为＋3Fe2+＋7H2O===MnO2↓＋3Fe(OH)3↓＋5H＋ C．试剂a可以选择Zn或ZnS，均通过氧化还原反应进行除杂 D．从溶液中得到四水合磷酸锌的步骤为蒸发结晶、趁热过滤、洗涤、干燥 √ 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 B　解析：含Zn、ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等物质的锌灰经稀硫酸充分浸取后，Zn、ZnO、CuO、FeO、Fe2O3溶解，浸出液中含有Zn2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+及过量、H＋，PbO与稀硫酸反应生成难溶物PbSO4，PbSO4和不溶于稀硫酸的SiO2一并滤出；“步骤Ⅰ”中，加KMnO4溶液，并调整溶液pH约为5，可将Fe2+转化为Fe(OH)3；加入试剂a除去溶液中的Cu2+，为了不引入新杂质，应选用金属锌，置换出铜，也可选用ZnS将Cu2+转化成CuS沉淀进入滤渣Ⅲ中；将溶液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，便可得到四水合磷酸锌。由分析可知，PbO与稀硫酸反应转化为PbSO4，PbSO4和SiO2都不溶于稀硫酸，故滤渣Ⅰ的主要成分是PbSO4、SiO2，A不正确；“步骤Ⅰ”中，加KMnO4溶液，调节溶液的pH约为5，将Fe2+转化为Fe(OH)3，发生反应的离子方程式为＋3Fe2+＋7H2O===MnO2↓＋3Fe(OH)3↓＋5H＋，B正确；若试剂a选用Zn，置换出Cu，为氧化还原反应，若试剂a选用ZnS，Cu2+转化成CuS沉淀，为非氧化还原反应，C不正确；从溶液中得到四水合磷酸锌的步骤为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，D不正确。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 7．工业上采用菱锌矿(主要成分为ZnCO3，还含有CdCO3、FeCO3、MnCO3和少量不溶于酸的杂质)制取ZnO，工艺流程如图所示： 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 已知： ①相关金属离子[c(Mn＋)＝0.1 mol·L-1]开始沉淀及完全沉淀时的pH如下表所示： ②弱酸性KMnO4溶液中能将Mn2+氧化生成MnO2。 金属离子 Fe3+ Fe2+ Zn2+ Cd2+ Mn2+ 开始沉淀的pH 1.5 6.3 6.2 7.4 8.1 完全沉淀的pH 2.8 8.3 8.2 9.4 10.1 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 回答下列问题： (1)“酸浸”时，将菱锌矿粉碎的目的是_________________________________ ____________________________，过滤后浸取液中含有的金属阳离子主要有____________________。 (2)“氧化除杂”的目的是_____________________________________________ __________________________________________________________________。 (3)“调pH”时，使用ZnO的优点是____________________________________ __________________________________________________________________。 (4)“还原除镉”时，Zn的实际用量是理论用量的1.3倍，若需置换出56.0 kg镉，实际加入的Zn应为____________________kg。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 (5)“沉锌”生成碱式碳酸锌[ZnCO3··2H2O]沉淀，写出加入Na2CO3溶液“沉锌”的化学方程式：___________________________________ __________________________________________________________________。 形成的沉淀要用水洗，洗涤的方法是____________________________________ __________________________________________________________________。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 解析：菱锌矿(主要成分为ZnCO3，还含有CdCO3、FeCO3、MnCO3和少量不溶于酸的杂质)，加入稀硫酸“酸浸”后得到含Zn2+、Cd2+、Fe2+、Mn2+的滤液，滤渣1为不溶于酸的杂质，向滤液中加入KMnO4，通过“氧化除杂”除去Fe2+、Mn2+，滤渣2为MnO2；加入ZnO调节pH，接着通过“还原除镉”除去Cd2+；最后向含ZnSO4的溶液中加入Na2CO3溶液生成碱式碳酸锌[ZnCO3··2H2O]沉淀，碱式碳酸锌高温灼烧得到ZnO。(1)“酸浸”时，将菱锌矿粉碎的目的是增大接触面积，增大反应速率，提高浸取率；根据分析可知，过滤后浸取液中含有的金属阳离子主要有Zn2+、Cd2+、Fe2+、Mn2+。(2)“氧化除杂”的目的是将Mn2+氧化为MnO2除去，并将Fe2+氧化为 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 Fe3+，便于“调pH”除去。(3)“调pH”时，为提高ZnO产量且不引入其他杂质，故使用ZnO。(4)“还原除镉”时，Zn的实际用量是理论用量的1.3倍，若需置换出56.0 kg镉，实际加入的Zn应为×65 g·mol-1×1.3＝42.25 kg。(5)“沉锌”生成碱式碳酸锌[ZnCO3·2Zn(OH)2·2H2O]沉淀，加入Na2CO3溶液“沉锌”生成ZnCO3·2Zn(OH)2·2H2O、硫酸钠和二氧化碳，反应的化学方程式为3ZnSO4＋3Na2CO3＋4H2O=== ZnCO3·2Zn(OH)2·2H2O↓＋3Na2SO4＋2CO2↑；形成的沉淀要用水洗，洗涤的方法是沿着玻璃棒向过滤器内加蒸馏水至浸没沉淀，待其自然流下，重复操作2～3次。 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 答案：(1)增大接触面积，增大反应速率，提高浸取率Zn2+、Fe2+、Cd2+、Mn2+ (2)将Mn2+氧化为MnO2除去，并将Fe2+氧化为Fe3+，便于“调pH”除去 (3)提高ZnO产量且不引入其他杂质 (4)42.25 (5)3ZnSO4＋3Na2CO3＋4H2O===ZnCO3··2H2O↓＋3Na2SO4＋2CO2↑　沿着玻璃棒向过滤器内加蒸馏水至浸没沉淀，待其自然流下，重复操作2～3次 关键能力之演绎推理——从铝到硼、铍、锌及其化合物的迁移应用 $$