内容正文:
专题一、工艺流程题
常考题空1 原料预处理的常用方法
【高考必备知识】
预处理操作
作用或目的分析
研磨、雾化
将块状或颗粒状的物质磨成粉末或将液体雾化,增大反应物接触面积,以加快反应速率或使反应更充分
目的:提高原料转化率、利用率、浸取率,提高产品的产率等
增大接触面积的方法:固体——粉碎、研磨;液体——喷洒;气体——用多孔分散器等
浸取(即浸出/溶解)
向固体中加入适当溶剂或溶液,使其中可溶性的物质溶解,包括水浸取、酸溶、碱溶、醇溶等
水浸
与水接触反应或溶解,使原料变成离子进入溶液中
酸浸
在酸性溶液[如:用(浓)硫酸、盐酸等]中使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去的过程;酸还能溶解金属氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解等
碱浸
去油污,在碱性溶液中使两性化合物(Al2O3、ZnO等)溶解,溶解铝、二氧化硅等,不溶物通过过滤除去的过程
醇浸
提取有机物,常采用有机溶剂(乙醚,二氯甲烷等)浸取的方法提取有机物
浸出率
固体溶解后,离子在溶液中的含量的多少(工业上往往为了追求更多转化)
提高浸出率的措施:①将矿石研成粉末,提高接触面积;②搅拌,使反应更加充分
③增大反应物(酸、碱)的浓度; ④适当升温(加热)
灼烧(焙烧)
除去可燃性杂质或使原料初步转化
①除去硫、碳单质; ②有机物转化、除去有机物;
③高温下原料与空气中氧气反应;④除去热不稳定的杂质(如碳酸盐沉淀)等
煅烧
改变结构,使一些物质能溶解,并使一些杂质在高温下氧化、分解,如煅烧高岭土
【题组训练】
例1.氯化磷酸三钠[(Na3PO4·12H2O)4·NaClO]的熔点为62 ℃,常温下较稳定,受热易分解,具有良好的灭菌、消毒、漂白作用,可广泛地用于医院、餐馆、食品加工等行业。一种以磷矿石[主要成分为Ca5(PO4)3F]为原料生产氯化磷酸三钠的工艺流程如图。回答下列问题:
磷矿石制成磷矿粉的目的是___________________________________________________________________
【变式1】硝酸铜晶体[Cu(NO3)2·6H2O],是一种重要的化工原料,常用于农药、镀铜、搪瓷等工业。以辉铜矿(主要成分为Cu2S,含少量Fe2O3、SiO2等杂质)为原料制备硝酸铜晶体的某工艺如图所示。回答下列问题:
“浸取”时,为了提高浸取率可采取的措施有_______________________________________________(任写一点)
例2、某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物,还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O):
“碱浸”中NaOH的两个作用分别是___________________________________
【变式2】硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]是一种重要的工业原料,能溶于水,不溶于乙醇,其工业制法如下。请回答:
步骤①中碱液洗涤的目的是__________________________
【变式3】某工厂从废含镍有机催化剂中回收镍的工艺流程如图所示(已知废催化剂中含有Ni 70.0%及一定量的Al、Fe、SiO2和有机物,镍及其化合物的化学性质与铁的类似,但Ni2+的性质较稳定)。回答下列问题:
已知:部分阳离子以氢氧化物的形式完全沉淀时的pH如下表所示。
沉淀物
Al(OH)3
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Ni(OH)2
pH
5.2
3.2
9.7
9.2
用乙醇洗涤废催化剂的目的是____________________
例3、无水AlCl3可用作有机合成的催化剂、食品膨松剂等。工业制备无水AlCl3的流程如下:
氯化炉中通入O2的目的是______________________________________
【变式3】草酸钴是制作氧化钴和金属钴的原料。一种利用含钴废料(主要成分为Co2O3,含少量Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、碳及有机物等)制取CoC2O4的工艺流程如下::
“550℃焙烧”的目的是__________________________________
【变式5】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:
菱锶矿、焦炭混合粉碎的目的是_________________________________________________________
常考题空2 转化过程中反应条件的控制方法
【高考必备知识】
1.控制溶液的酸碱性(pH)
(1)控制反应的发生,增强物质的氧化性或还原性(增强MnO、NO的氧化性),调节离子的水解程度
(2)控制溶液的pH值使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀而被除去
①原理:加入的物质能与溶液中的H+反应,降低了H+的浓度,使溶液pH值增大
②pH控制的范围:杂质离子完全沉淀时pH值~主要离子开始沉淀时pH (注意端值取)
③需要的物质:含主要阳离子(不引入新杂质即可)的难溶性氧化物或氢氧化物或碳酸盐,即能与H+反应,使pH增大的物质,如MgO、Mg(OH)2、MgCO3等类型的物质
④实例:除去CuSO4溶液中少量Fe3+,可向溶液中加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3、CuCO3,调节pH至3~4,使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去。Fe3+溶液中存在水解平衡:Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+,加入CuO后,溶液中H+浓度降低,平衡正向移动,Fe(OH)3越聚越多,最终形成沉淀
a.加入CuO的作用:调节溶液的pH,使Fe3+转化为Fe(OH)3
b.加热的目的:促进Fe3+水解
(3)抑制某些离子的水解,防止产品混入杂质
像盐酸盐、硝酸盐溶液,通过结晶方法制备晶体或加热脱水结晶水合物制备相对应的无水盐时,由于水解生成的盐酸或硝酸挥发,促使了金属离子水解(水解反应为吸热反应)导致产品不纯
如:由MgCl2·6H2O制无水MgCl2要在HCl气流中加热,否则:MgCl2·6H2OMg(OH)2+2HCl↑+4H2O
2.温度控制的类型及其目的
升高温度
①加快反应速率或溶解速率
②促进平衡向吸热方向(一般是有利于生成物生成的方向)移动,如:促进水解生成沉淀
③除去受热不稳定的杂质,如:H2O2、氨水、铵盐(NH4Cl)、硝酸盐、NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4等物质
④使沸点相对低的物质气化或升华
降低温度
①防止某物质在温度较高时挥发或分解
②使化学平衡向放热反应的方向移动,从而提高产物的产率
③使某个沸点高的产物液化,使其与其他物质分离
④降低晶体的溶解度,使其结晶析出
控制温度在一定范围(综合考虑)
温度过低
反应速率过慢或溶解速率小
温度过高
①催化剂逐渐失活,化学反应速率急剧下降
②物质分解,如:NaHCO3、NH4HCO3、H2O2、浓HNO3等
③物质会挥发,如:浓硝酸、浓盐酸、醋酸、液溴、乙醇等
④物质氧化,如:Na2SO3等
⑤物质升华,如:I2 升华
答题策略
①若用到H2O2、氨水、铵盐、硝酸盐等易分解的物质,控温的目的是防止物质分解
②若题目中出现有机物或有机溶剂,控温的目的是防止其挥发
③若溶液中制备物质,常使用加热的方法加快反应速率
④煮沸:促进水解,聚沉后利于过滤分离;除去溶解在溶液中的气体,如氧气
⑤温度范围答题策略
a.温度不高于××℃的原因:适当加快反应速率, 但温度过高会造成(如浓硝酸)挥发,(如H2O2、NH4HCO3)分解,(如Na2SO3)氧化或促进(如AlCl3)水解等,影响产品的生成
b.温度不低于××℃的原因:加快反应速率或者对于吸热反应而言可是平衡正移,增加产率
3.浓度
(1)根据需要选择适宜浓度,控制一定的反应速率,使平衡移动有利于目标产物的生成,减小对后续操作产生的影响
(2)反应物过量,能保证反应的完全发生或提高其他物质的转化率,但对后续操作也会产生影响
4.压强:改变反应速率,使平衡向需要的方向移动
5.催化剂:选择合适的催化剂,能加快反应速率
6.使用保护气
(1)隔绝空气(主要是O2、H2O)
(2)抑制弱离子的水解(如HCl氛围)
【题组训练】
例1、污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题。某研究小组利用软锰矿(主要成分为MnO2,另含有少量铁、铝、铜、镍等金属化合物)作脱硫剂,通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO2,又制得电池材料MnO2(反应条件已省略)。
用MnCO3能除去溶液中的Al3+和Fe3+,其原理是__________________________________________
【变式1】硝酸铜晶体[Cu(NO3)2·6H2O],是一种重要的化工原料,常用于农药、镀铜、搪瓷等工业。以辉铜矿(主要成分为Cu2S,含少量Fe2O3、SiO2等杂质)为原料制备硝酸铜晶体的某工艺如图所示。回答下列问题:
调节溶液pH时选用的物质a可以是___________,几种金属离子沉淀的pH范围如图2所示,“调pH”时应将溶液pH调至________~________
【变式1-2】氯化铵焙烧菱锰矿制备高纯度碳酸锰的工艺流程如下:
已知:①菱锰矿石主要成分是MnCO3,还含有少量Fe、Al、Ca、Mg等元素
②相关金属离子[c(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀时的pH如下:
金属离子
Al3+
Fe3+
Fe2+
Ca2+
Mn2+
Mg2+
开始沉淀的pH
3.8
1.5
6.5
10.6
8.1
9.6
沉淀完全的pH
5.2
3.7
9.7
12.6
10.1
11.6
③常温下,CaF2、MgF2的溶度积分别为1.46×10-10、7.42×10-11
浸出液“净化除杂”过程如下:首先加入MnO2将Fe2+氧化为Fe3+,反应的离子方程式为_________________;然后调节溶液pH使Fe3+、Al3+沉淀完全,此时溶液的pH范围为_________
例2、利用废镍电池的金属电极芯(主要成分为Co、 Ni,还含少量Fe、Al等)生产醋酸钴晶体、硫酸镍晶体的工艺流程如下。
已知:部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表:
沉淀物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Co(OH)2
Co(OH)3
Al(OH)3
Ni(OH)2
开始沉淀pH
2.2
7.4
7.6
0.1
4.0
7.6
完全沉淀pH
3.2
8.9
9.2
1.1
5.2
9.2
沉淀A的主要成分是Fe(OH)3、____________,“浸出液”调节pH的范围为________,调节pH选用的试剂可以是________(填字母)
a. 铁 b.氨水 c.碳酸钠溶液 d.稀硫酸
【变式2-1】我国某地粉煤灰中主要含有Al2O3,除此之外还含有Ga2O3及少量Fe2O3、CaO、MgO和SiO2等物质。已知从粉煤灰中回收铝并提取镓的工艺流程如下所示:
电解过程中,Ga3+与NaOH溶液反应生成GaO,GaO在阴极放电,则电解方程式:_____________________;电解过程中需要保持溶液为pH=11以上的原因是______________________________________
【变式2-2】辉铜矿石主要含有硫化亚铜(Cu2S)及少量脉石(SiO2)。一种以辉铜矿石为原料制备硝酸铜的工艺流程如下所示:
“保温除铁”过程中,加入CuO的目的是______________________________;“蒸发浓缩、冷却结晶”过程中,要用HNO3溶液调节溶液的pH,其理由是_________________________________________
例3.高纯MnCO3在电子工业中有重要的应用,工业上利用软锰矿(主要成分是MnO2,还含有Fe2O3、CaCO3、CuO等杂质)制取碳酸锰的流程如图所示:
已知:还原焙烧主反应为2MnO2+C2MnO+CO2↑
可能用到的数据如下:
氢氧化物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Cu(OH)2
Mn(OH)2
开始沉淀pH
1.5
6.5
4.2
8.1
沉淀完全pH
3.7
9.7
7.4
10.1
步骤G,温度控制在35 ℃以下的原因是________________________
【变式3-1】钯(Pd)是一种不活泼金属,含钯催化剂在工业、科研上用量较大。某废钯催化剂(钯碳)中含有钯(5%~6%)、碳(93%~94%)、铁(1%~2%)以及其他杂质,故钯碳具有很高的回收价值。如图是利用钯碳制备氯化钯(PdCl2)和(Pd)的流程
加入浓氨水,调节pH至9.0,并控制温度在70~75℃,Pd元素以[Pd(NH3)4]2+的形式存在于溶液中。若温度大于75℃,则不利于除铁,原因是__________________________________________________
【变式3-2】无色透明的锆石(主要成分为ZrSiO4)酷似钻石,是很好的钻石代用品。锆石又称锆英石,常含有铁、铝、铜的氧化物杂质。工业上一种以锆英石为原料制备ZrO2的工艺流程如图所示:
已知:ⅰ.Zr在化合物中通常显+4价,“氯化”过程中除C、O元素外,其他元素均转化为高价氯化物;
ⅱ.SiCl4极易水解生成硅酸;ZrCl4易溶于水,390 ℃升华;
ⅲ.Fe(SCN)3难溶于有机溶剂MIBK,Zr(SCN)4在水中的溶解度小于在有机溶剂MIBK中的溶解度。
“氯化”过程中ZrCl4的产率与温度、压强的关系如图所示:
由图可知,“氯化”过程选择的最佳条件为________,“氯化”温度超过390 ℃时,ZrCl4产率降低的原因为________________________________________________________
【变式3-3】铝氢化钠(NaAlH4)是重要的还原剂。以铝土矿(主要成分Al2O3,含少量SiO2、Fe2O3等杂质)为原料制备NaAlH4的一种流程如图:
已知:碱浸中SiO2转化成难溶的Na2Al2SixO8
滤渣溶于盐酸的“酸浸率”与温度关系如图所示,试解释温度过高,“酸浸率”降低的原因__________________
______________________________________________________
例4、辉铜矿石主要含有硫化亚铜(Cu2S)及少量脉石(SiO2)。一种以辉铜矿石为原料制备硝酸铜的工艺流程如下所示:
“回收S”过程中温度控制在50~60 ℃之间,不宜过高或过低的原因是____________________________________
____________________________________________________
【变式4-1】氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业。CuCl微溶于水,不溶于稀酸,可溶于Cl-浓度较大的体系,在潮湿空气中易水解氧化。以海绵铜(主要成分是Cu和少量CuO)为原料,采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺流程如下:
溶解步骤的温度应控制在60~70 ℃,原因是_____________________________________________
【变式4-2】氯化磷酸三钠[(Na3PO4·12H2O)4·NaClO]的熔点为62 ℃,常温下较稳定,受热易分解,具有良好的灭菌、消毒、漂白作用,可广泛地用于医院、餐馆、食品加工等行业。一种以磷矿石[主要成分为Ca5(PO4)3F]为原料生产氯化磷酸三钠的工艺流程如图。
(1)“中和1”的反应中会生成Na2HPO4、CO2,该过程中除调节pH外,还需控制70~80 ℃的微热状态,微热的目的是____________________、________________________
(2)“干燥”温度不宜过高的原因是_________________________________________
常考题空3 工艺流程中的分离与提纯
【高考必备知识】
1.过滤:固液分离的一种方法,主要有常压过滤、减压过滤、热过滤
(1)常压过滤:通过预处理、调节pH等工序可实现对杂质的去除,但值得注意的是需要分析对产品的需求及生产目的的综合考虑,准确判断经过过滤后产生的滤液、滤渣的主要成分,准确判断是留下滤液还是滤渣
(2)减压过滤(抽滤):减压过滤和抽滤是指一种操作,其原理与普通的常压过滤相同。相比普通过滤,抽滤加快了过滤的速度。抽滤的优点是快速过滤,有时候还可以过滤掉气体,并能达到快速干燥产品的作用
(3)趁热过滤:趁热过滤指将温度较高的固液混合物直接使用常规过滤操作进行过滤,但是由于常规过滤操作往往耗时较长,这样会导致在过滤过程中因混合物温度降低而使溶质析出,影响分离效果。因此可使用热过滤仪器、将固液混合物的温度保持在一定范围内进行过滤,所以又称为热过滤
2.蒸发结晶
(1)适用范围:提取溶解度随温度变化不大的溶质,如:NaCl
(2)蒸发结晶的标志:当有大量晶体出现时,停止加热,利用余热蒸干
(3)实例
①从NaCl溶液中获取NaCl固体
a.方法:蒸发结晶
b.具体操作:加热蒸发,当析出大量NaCl晶体时,停止加热,利用余热蒸干
②NaCl溶液中混有少量的 KNO3溶液
a.方法:蒸发结晶、趁热过滤、洗涤、干燥
b.具体操作:若将混合溶液加热蒸发一段时间,析出的固体主要是NaCl,母液中是KNO3和少量NaCl,这样就可以分离出大部分NaCl
c.趁热过滤的目的:防止KNO3溶液因降温析出,影响NaCl的纯度
3.冷却结晶
(1)适用范围:提取溶解度随温度变化较大的物质(KNO3)、易水解的物质(FeCl3)或结晶水化合物(CuSO4·5H2O)
(2)蒸发结晶的标志:当有少量晶体(晶膜)出现时
(3)实例:KNO3溶液中混有少量的 NaCl溶液
a.方法:蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥
b.具体操作:若将混合溶液加热蒸发后再降温,则析出的固体主要是KNO3,母液中是NaCl和少量KNO3,这样就可以分离出大部分KNO3
4.沉淀洗涤时洗涤剂的选择
洗涤试剂
适用范围
目的
蒸馏水
冷水
溶解度随温度升高而升高,且变化较大
除去固体表面吸附着的××杂质,减少固体因为洗涤液温度高造成溶解损失
热水
溶解度随着温度升高而降低
除去固体表面吸附着的××杂质,减少固体因为洗涤液温度低造成溶解损失
有机溶剂(酒精、丙酮等)
固体易溶于水、难溶于有机溶剂
减少固体溶解损失;利用有机溶剂的挥发性除去固体表面的水分,加快干燥速率
饱和溶液
对纯度要求不高的产品
减少固体溶解
酸、碱溶液
产物不溶于酸、碱
除去固体表面吸附着的可溶于酸、碱的杂质;减少固体溶解
洗涤沉淀的方法:向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次
检验沉淀是否洗涤干净的方法:取少量最后一次的洗涤液于试管中,向其中滴入某试剂,若未出现特征反应现象,则沉淀洗涤干净
5.重结晶:将结晶得到的晶体溶于溶剂制得饱和溶液,又重新从溶液结晶的过程
6.萃取与反萃取
萃取
利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同,用一种溶剂(萃取剂)把溶质从它与另一种溶剂组成的溶液里提取出来的过程,萃取后需要分液。如:用CCl4萃取溴水中的Br2
反萃取
在溶剂萃取分离过程中,当完成萃取操作后,为进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施,往往需要将目标产物转移到水相。这种调节水相条件,将目标产物从有机相转入水相的萃取操作称为反萃取,为萃取的逆过程
7.蒸馏或分馏:蒸馏是利用液体混合物中各组分的沸点不同,给液体混合物加热,使其中的某一组分变成蒸气再冷凝成液体,跟其他组分分离的过程
8.冷却法:利用气体易液化的特点分离气体,如合成氨工业采用冷却法分离氨与氮气、氢气
【题组训练】
例1.从工厂采集废液(含FeSO4和少量ZnSO4、MgSO4),进行四氧化三铁的制备实验。制备流程如图所示:
操作a、b的名称分别为_________________
【变式1-1】.精对苯二甲酸(PTA)是生产聚酯纤维的重要化工原料。生产过程产生的氧化残渣主要含有苯甲酸、对苯二甲酸、钴锰催化剂等。采用以下工艺流程可实现PTA残渣中有效成分苯甲酸和Co2+、Mn2+的回收与纯化,达到废物再利用的目的。
操作I的方法是_________;实验室进行操作Ⅱ主要用的玻璃仪器有________________________
【变式1-2】.硼镁泥主要成分是MgO(占40%),还含有Na2B4O7、CaO、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、SiO2等杂质。以硼镁泥为原料制取MgSO4·7H2O的工艺流程如下
本实验中多次用到抽滤操作,其装置如图,相比普通过滤,抽滤的优点是____________________
例2.硝酸铜晶体[Cu(NO3)2·6H2O],是一种重要的化工原料,常用于农药、镀铜、搪瓷等工业。以辉铜矿(主要成分为Cu2S,含少量Fe2O3、SiO2等杂质)为原料制备硝酸铜晶体的某工艺如图所示。
操作X主要包括______________、_______________、过滤、洗涤、干燥
【变式2-1】.硼镁泥是一种工业废料,主要成份是MgO(占40%),还有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质.以硼镁泥为原料制取的硫酸镁,可用于印染、造纸、医药等工业.从硼镁泥中提取MgSO4•7H2O的流程如图:
已知MgSO4、CaSO4的溶解度如下表
温度(℃)
40
50
60
70
MgSO4
30.9
33.4
35.6
36.9
CaSO4
0.210
0.207
0.201
0.193
“除钙”是将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去,根据上表数据,简要说明除钙的操作步骤___________、___________
【变式2-2】某矿渣的成分为Cu2O、Al2O3、Fe2O3、SiO2,工业上用该矿渣获取铜和胆矾的操作流程如下:
请回答下列问题:操作1主要包括:__________、____________、_______。洗涤CuSO4·5H2O粗产品不能用大量水洗,而用冰水洗涤,原因是_________________________________________________________________
【变式2-3】绿矾(FeSO4·7H2O)可用于色谱分析剂、净水、照相制版等方面。下面是以铁屑(含少量锡等杂质)生产绿矾的一种方法:
已知:在H2S饱和溶液中,SnS沉淀完全时溶液的pH为1.6;FeS开始沉淀时溶液的pH为3.0,沉淀完全时溶液的pH为5.5。
(1)操作Ⅳ的顺序依次为________________、冷却结晶、__________________
(2)操作Ⅳ得到的绿矾晶体用少量冰水洗涤,其目的是①除去晶体表面附着的硫酸等杂质;②_________________________________________________
【变式2-4】某混合物A含有KAl(SO4)2、Al2O3和Fe2O3,在一定条件下可实现下图所示的物质之间的变化:
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四步中对于溶液和沉淀的分离采取的方法是________;获得沉淀后,要对沉淀进行洗涤,请简述洗涤沉淀的操作是_________________________________________________________________
例3、实验室用含钴废料(主要成分为Co,含有一定量的NiO、Al2O3、Fe、SiO2等)制备草酸钴晶体( CoC2O4• 2H2O)的流程如图。已知:①草酸钴晶体难溶于水②RH为机有物(难电离)。回答下列问题:
(1)加入有机萃取剂的目的是_______________________________________
(2)“反萃取”原理是用反萃取剂使被萃取物从有机相返回水相的过程。向操作①后溶有NiR2 的有机层中加入硫酸溶液,可重新得到RH,写出该步骤反应的离子方程式_____________________
【变式3-1】粘土帆矿(含V2O5、Fe2O3、Al2O3、SiO2等不溶性成分)制备V2O5的工艺流程如下:
已知:①硫酸氧钒[(VO)SO4]高温易分解生成VO2和SO3
②萃取剂对相关离子的萃取能力如下表:
微粒
VO2+
VO2+
Fe3+
Fe2+
萃取能力
强(随pH增大而增强)
弱
强
弱
“反萃取”用 20%硫酸目的为____________________________________________________________,“氧化”的离子方程式为_____________________________________________________
【变式3-2】.“萃取分离”溶液中钴、锂的萃取率与平衡时溶液pH的关系如图所示,pH一般选择5左右,理由是_________________________________________________________________________________
例4、硼氢化钠(NaBH4)广泛用于化工生产,常温下能与水反应,易溶于异丙胺(沸点为33 ℃)。工业上可用硼镁矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O,含少量杂质Fe3O4)制取NaBH4,其工艺流程如下:
操作2的名称为________________,流程中可循环利用的物质是____________________
【变式4-1】钒及其化合物在工业上有许多用途。某钒精矿的主要成分及质量分数如下表:
物质
V2O5
V2O3
K2O
SiO2
Fe2O3
Al2O3
质量分数%
0.81
1.70
2.11
63.91
5.86
12.51
一种从该钒精矿中提取五氧化二钒的流程如下:
(1)萃取剂对四价钒具有高选择性,且萃取Fe3+而不萃取Fe2+,所以萃取前可用____________(填名称,下同)对浸出液进行“还原”处理。为检验“还原”后的滤液中是否含有Fe3+,可选用的化学试剂是__________
(2)“溶剂萃取与反萃取”可表示为:。其中(HR2PO4)2(O)为萃取剂,为了提高VO2+的产率,反萃取剂应该呈 __________性(填“酸”“碱”或“中”)
【变式4-2】硫酸锰在不同温度下结晶可分别得到MnSO4·7H2O、MnSO4·5H2O和MnSO4·H2O。硫酸锰在不同温度下的溶解度和该温度范围内析出晶体的组成如下图所示
从过滤所得的滤液中获得较高纯度MnSO4·H2O的操作是:控制温度在80~90 ℃之间蒸发结晶、__________,使固体MnSO4·H2O与溶液分离,_________________________________、真空干燥
【变式4-3】.我国某地粉煤灰中主要含有Al2O3,除此之外还含有Ga2O3及少量Fe2O3、CaO、MgO和SiO2等物质。已知从粉煤灰中回收铝并提取镓的工艺流程如下所示:
滤渣的成分是____________ ;含铝混合液中除了大量Al3+之外,还有Fe3+和少量Mg2+,由混合液制取纯净Al(OH)3的实验方案是______________________________________________________________________
【变式4-5】.氟碳铈矿(主要成分为CeFCO3)是提取稀土化合物、冶炼铈的重要矿物原料,以氟碳铈矿为原料提取铈的工艺流程如图所示。回答下列问题:
(1)HT是一种难溶于水的有机溶剂,则操作Ⅰ的名称为__________
(2)有机物HT能将Ce3+从水溶液中提取出来,该过程可表示:Ce3+(水层)+3HT(有机层)CeT3(有机层)+3H+(水层)。向CeT3(有机层)中加入稀硫酸能获得较纯的含Ce3+水溶液,从平衡角度解释其原因:__________________________________________________________________
常考题空4 工艺流程中陌生化学(离子)方程式的书写
【方法与技巧】
类型一、陌生氧化还原反应方程式的书写
1.书写关键——识记常见氧化剂、还原剂及产物预测
(1)常见的氧化剂及还原产物预测
氧化剂
KMnO4
(酸性)
K2Cr2O7
(酸性)
浓硝酸
稀硝酸
H2O2
X2
(卤素)
NaClO
(或ClO-)
KClO3
Fe3+
PbO2
对应还原产物
Mn2+
Cr3+
NO2
NO
H2O
X-
Cl-
Cl-
Fe2+
Pb2+
(2)常见的还原剂及氧化产物预测
还原剂
Fe2+
SO2
(H2SO3)
SO
S2O
S2-(H2S)
H2C2O4
H2O2
I-
(HI)
CO
NH3
对应氧化产物
Fe3+
SO
SO
SO
S
CO2
O2
I2
CO2
N2或NO
2.书写方法
(1)第一步:根据题干信息或流程图的入口和出口,判断出反应物和生成物
(2)第二步:确定反应物和生成物中变价元素的化合价,按“氧化剂+还原剂还原产物+氧化产物”写出方程式,并按化合价升降的原则配平参与氧化还原反应的各物质的化学计量系数
(3)第三步:依据电荷守恒、原子守恒和溶液的酸碱性补齐缺失物质并配平。若反应是在水溶液中进行,一般在方程式左边或右边补充H+、OH-或H2O
【典题示例1】钒具有广泛用途。黏土钒矿中,钒以+3、+4、+5价的化合物存在,还包括钾、镁的铝硅酸盐,以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。
该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
金属离子
Fe3+
Fe2+
Al3+
Mn2+
开始沉淀pH
1.9
7.0
3.0
8.1
完全沉淀pH
3.2
9.0
4.7
10.1
“酸浸氧化”中,VO+和VO2+被氧化成VO,同时还有________离子被氧化。写出VO+转化为VO反应的离子方程式_________________________________________
【典题示例2】三氧化二钴(Co2O3)主要用作颜料、釉料、磁性材料、催化剂和氧化剂等。以含钴废料(主要成分为Co2O3,含有少量MnO2、NiO、Fe3O4)为原料制备Co2O3的流程如图所示
已知:Ⅰ.“酸浸”后的浸出液中含的阳离子有H+、Co2+、Fe3+、Ni2+等。
Ⅱ.部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如下表。
沉淀物
Fe(OH)3
Co(OH)2
Ni(OH)2
完全沉淀时的pH
3.7
9.0
9.2
(1)“酸浸”时发生的主要反应是__________________________________________________(写离子方程式)
(2)写出高温煅烧时发生的化学反应方程式_____________________________________________________
类型二、陌生非氧化还原反应方程式的书写
运用“证据推理符号”思路,书写新情境化学方程式的基本思路为:“读取”流程中的有效信息(证据),找出主要的反应物和生成物(推理),再依据质量守恒定律和电荷守恒规律写出反应的化学(离子)方程式,书写步骤如下:
(1)第一步:分析流程图的入口和出口,确定反应物与生成物,有些生成物可依据物质类别的通性及反应规律判断出
(2)第二步:初步表示出反应过程:反应I+反应II生成物I+生成物II
(3)第三步:依据电荷守恒或原子守恒,补齐缺失物质并将方程式配平
【典题示例3】硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为______________________
(2)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为______________________________________
【典题示例4】工业上“中温焙烧——钠化氧化法”回收电镀污泥中的铬已获技术上的突破。其工艺流程如下:
[查阅资料]①电镀污泥中含有Cr(OH)3、Al2O3、ZnO、CuO、NiO等物质;水浸后溶液中含有Na2CrO4、NaAlO2、Na2ZnO2等物质
②Na2SO4、Na2Cr2O7、Na2CrO4在不同温度下的溶解度如下表:
温度
化学式
20 ℃
60 ℃
100 ℃
Na2SO4
19.5
45.3
42.5
Na2Cr2O7
183
269
415
Na2CrO4
84
115
126
请回答:
(1)操作①的名称是______, “水浸”后的溶液呈______性
(2)“焙烧氧化”过程中Cr(OH)3转化成Na2CrO4的化学方程式为__________________。
(3)滤渣Ⅱ的主要成分有Zn(OH)2和X,生成X的离子反应方程式为_______________________________________
(4)“酸化浓缩”时,需继续加入H2SO4,使Na2CrO4转化成Na2Cr2O7,反应的离子方程式为________________
【典题示例5】实验室由炼钢污泥(简称铁泥,主要成分为铁的氧化物)制备软磁性材料α-Fe2O3。其主要实验流程如下:
将提纯后的FeSO4溶液与氨水NH4HCO3混合溶液反应,生成FeCO3沉淀。生成FeCO3沉淀的离子方程式为_________________________________________________________________________
【题组训练】
1.实验室以锌灰(含ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等)为原料制备Zn3(PO4)2·4H2O的流程如下。
滴加KMnO4溶液后有MnO2生成,该反应的离子方程式为_________________________________________
2.NaClO2是一种重要的杀菌消毒剂,也常用来漂白织物等,其一种生产工艺如下:
写出“反应”步骤中生成ClO2的化学方程式___________________________________________________________
3.氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业。CuCl微溶于水,不溶于稀酸,可溶于Cl-浓度较大的体系,在潮湿空气中易水解氧化。以海绵铜(主要成分是Cu和少量CuO)为原料,采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺流程如下:
(1)溶解步骤中Cu与NH4NO3反应的离子方程式为(N元素被还原到最低价)____________________________
(2)还原步骤发生反应的离子方程式为__________________________________________________________
4.氧化铁黄(化学式为FeOOH)是一种黄色颜料,工业上以废铁为主要原料生产氧化铁黄的一种工艺流程如下:
氧化过程生成氧化铁黄的化学方程式是_____________________________________________________
5.以某工业铜渣(主要成分为Cu、Cu2Se、Cu2Te,还有少量Ag)为原料制备胆矾、硒、碲的一种工艺流程如下:
(1)“浆化、焙烧”后,铜渣中金属元素均转化为硫酸盐,碲元素转化为不溶于水的TeO2。Cu2Se与浓硫酸反应的化学方程式为______________________________________________
(2)“浸取Ⅱ”后,TeO2转化为TeCl,则“还原”过程反应的离子方程式为______________________________
6.高锰酸钾生产过程中产生的废锰渣(主要成分为MnO2、KOH、MgO和Fe2O3)可用于制备MnSO4晶体,工艺流程如下:
“反应Ⅲ”的离子方程式为________________________________________________
7.从分金渣(主要成分为AgCl、Ag2S、PbSO4、BaSO4)中获取高纯银的流程如图所示:
已知:Ksp(AgCl)=1.8×10-10,Ksp(Ag2S)=6.3×10-50
(1)“预处理”时主要反应的化学方程式为____________________________________
(2)“分银”时AgCl与Na2SO3反应生成Ag(SO3)的离子方程式为_____________________________________,该反应的K=____________。[已知Ag++2SOAg(SO3) K′=1.0×108.68]
(3)“还原”时HCHO转化为HCOOH,其化学方程式为____________________________________________
8.以红土镍矿(主要含有Fe2O3、FeO、NiO、SiO2等)为原料,获取净水剂黄钠铁矾[NaFe3(SO4)2(OH)6]和纳米镍粉的部分工艺流程如下:
(1)“氧化”过程发生的离子方程式为___________________________________________________________
(2)向“过滤Ⅱ”所得滤液(富含Ni2+)中加入N2H4·H2O,在碱性条件下制备纳米镍粉同时生成N2的离子方程式:
________________________________________________________________________
9.以硫铁矿烧渣(主要成分Fe2O3、SiO2,少量的Fe3O4、Al2O3、MgO)生产安全高效的水处理剂高铁酸钾(K2FeO4)的工艺流程如下:
“氧化”时发生反应的离子方程式为______________________________________________________________
10.以黄铜矿(CuFeS2)、FeCl3和乳酸[CH3CH(OH)COOH]为原料可制备有机合成催化剂CuCl和补铁剂乳酸亚铁{[CH3CH(OH)COO]2Fe}。其主要实验流程如下:
FeCl3溶液与黄铜矿发生反应的离子方程式为___________________________________________________
11.磷酸亚铁锂(LiFePO4)电池是新能源汽车的动力电池之一。一种回收废旧磷酸亚铁锂电池正极片(主要成分为LiFePO4、炭黑和铝箔)中金属的流程如下:
(1)步骤①中“碱溶”的化学方程式为________________________________________________________________
(2)步骤②中反应的离子方程式为_________________________________________________________________,若用H2O2代替HNO3,其反应的离子方程式为______________________________________________________
(3)步骤④反应的离子方程式为________________________________________________
12.一种由菱镁矿(主要成分MgCO3、CaCO3、FeCO3、SiO2)制备高纯氢氧化镁的工艺如下:
“煅烧”时FeCO3发生反应的化学方程式:______________________________________
13.某工厂以硝酸为原料生产亚硝酸钠,其工艺流程如下:
已知:Na2CO3+NO+NO2===2NaNO2+CO2
按一定计量比在“分解塔”中通SO2和喷入硝酸,若反应后生成的NO与NO2的物质的量之比恰好为1∶1,则“分解塔”中发生反应的化学方程式:____________________________
14.FePO4是一种难溶于水,易溶于硫酸的固体,可用作金属防腐剂。实验室利用FeSO4·7H2O和H3PO4(第一级电离常数Ka1=7.5×10-3)制备FePO4的流程如下:
写出“反应”时总反应的离子方程式:____________________________________________
15.利用化学原理可以对工厂排放的废水、废渣等进行有效检测与合理处理。某工厂对制革工业污泥中Cr(Ⅲ)的处理工艺流程如下,回答下列问题:
(1)H2O2的作用是将滤液Ⅰ中的Cr3+转化为Cr2O,写出此反应的离子方程式:__________________________
(2)加入NaOH溶液使溶液呈碱性,既可以除去某些杂质离子,同时又可以将Cr2O转化为CrO,写出该反应的离子方程式_____________________________________________________________________
(3)写出上述流程中用SO2进行还原时发生反应的离子方程式________________________________________
16.高锰酸钾(KMnO4)是一种常用氧化剂,主要用于化工、防腐及制药工业等。以软锰矿(主要成分为MnO2)为原料生产高锰酸钾的工艺流程图如下:
“平炉”中发生反应的化学方程式为____________________________________________
17.从工业废钒中回收金属钒既避免污染环境又有利于资源综合利用。某工业废钒的主要成分为V2O5、VOSO4和SiO2等,如图是从废钒中回收钒的一种工艺流程:
(1)“氧化”工序中反应的离子方程式为___________________________________________。
(2)写出流程中铝热反应的化学方程式:___________________________________________。
18.利用硫酸渣(主要含Fe2O3、SiO2)制备纳米Fe3O4的工艺流程如下:
“还原”时FeS2被氧化为SO,该反应的离子方程式:_____________________________
19.某实验小组采用刻蚀废液(主要含CuCl2、FeCl3、FeCl2、HCl)制取Cu和Cu2Cl2,实验流程如下:
已知:Cu2Cl2是白色固体,微溶于水,难溶于乙醇,受潮后在空气中易被迅速氧化
“还原Ⅱ”中,Cu2+参与反应的离子方程式:______________________________________
常考题空5 工艺流程中Ksp的相关计算
溶度积常数反映了难溶电解质在水中的溶解能力,高考试题中溶度积常数的考查常结合化工流程题,在化工流程题中考查溶度积常数是近年高考的热点,化工流程中常常需要控制条件进行离子的分离或除杂,通过溶度积常数计算溶液中金属离子的浓度、离子完全沉淀时的pH、判断废水排放是否符合标准、沉淀完全转化时所需离子浓度。常见题型有:
一、计算难溶电解质的Ksp
以“AmBn(s)mAn+(aq)+nBm-(aq)”为例:Ksp(AmBn)=cm(An+)·cn(Bm-),式中的浓度都是平衡浓度
【对点训练1】
1.溴酸镉[Cd(BrO3)2]常用作分析试剂、生产荧光粉等。以镉铁矿(成分为 CdO2、Fe2O3、FeO 及少量的Al2O3 和SiO2)为原料制备[Cd(BrO3)2]的工艺流程如下:
已知:Cd(SO4)2 溶于水
实际工业生产中,有时还采用阳离子交换树脂法来测定沉镉后溶液中 Cd2+的含量,其原理:Cd2++ 2NaR===2Na++ CdR2 ,其中NaR为阳离子交换树脂。常温下,将沉镉后的溶液(此时溶液 pH=6)经过阳离子交换树脂后,测得溶液中的 Na+比交换前增加了 0.055 2 g·L-1,则该条件下Cd(OH)2 的Ksp值为_________
2.从化工厂铬渣中提取硫酸钠的工艺如下:
已知:①铬渣含有Na2SO4及少量Cr2O、Fe3+
②Fe3+、Cr3+完全沉淀(c≤1.0×10-5mol·L-1)时pH分别为3.6和5
Cr(OH)3的溶度积常数Ksp[Cr(OH)3]=____________
二、计算沉淀转化反应的平衡常数及其完全转化时所需浓度
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
如:对于反应Cu2+(aq)+ZnS(s)CuS(s)+Zn2+(aq)
该反应的平衡常数K===
【对点训练2】
1.某科研课题小组研究利用含H+、Na+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、SO的工业废电解质溶液,制备高纯的ZnO、MnO2、Fe2O3,设计实验流程如下:
已知常温下,Ksp(MnS)=3.0×10-14,Ksp(ZnS)=1.5×10-24,在除锌时发生沉淀转化反应为:
MnS(s)+Zn2+(aq)ZnS(s)+Mn2+(aq),其平衡常数K=____________
2.软锰矿的主要成分为MnO2,还含有Fe2O3、MgO、Al2O3、CaO、SiO2等杂质,工业上用软锰矿制取MnSO4·H2O的流程如下:
已知:①部分金属阳离子完全沉淀时的pH如下表
金属阳离子
Fe3+
Al3+
Mn2+
Mg2+
完全沉淀时的pH
3.2
5.2
10.4
12.4
②温度高于27 ℃时,MnSO4晶体的溶解度随温度的升高而逐渐降低。
第2步除杂,主要是将Ca2+、Mg2+转化为相应氟化物沉淀除去,写出MnF2除去Mg2+的离子方程式:____________________________________________,该反应的平衡常数为________
(已知:MnF2的Ksp=5.3×10-3;CaF2的Ksp=1.5×10-10;MgF2的Ksp=7.4×10-11)
3.某工厂以重晶石(主要含BaSO4)为原料,生产“电子陶瓷工业支柱”——钛酸钡(BaTiO3)的工艺流程如下:
用Na2CO3溶液浸泡重晶石(假设杂质不与Na2CO3反应),能将BaSO4转化为BaCO3,此反应的平衡常数K=____________(填写计算结果);若不考虑CO的水解,要使2.33 g BaSO4恰好完全转化为BaCO3,则至少需要浓度为1.0 mol·L-1Na2CO3溶液______mL。[已知:Ksp(BaSO4)=1.0×10-10,Ksp(BaCO3)=5.0×10-9]
三、由溶度积计算溶液中某离子的浓度
①已知溶度积,求溶液中的某种离子的浓度
如:Ksp=a 的饱和AgCl溶液中,c(Ag+)= mol·L-1
②已知溶度积、溶液中某离子的浓度,求溶液中的另一种离子的浓度
如:某温度下AgCl的Ksp=a,在0.1 mol·L-1的NaCl溶液中加入过量的AgCl固体,达到平衡后c(Ag+)==10a mol·L-1
【对点训练3】
1.污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题。某研究小组利用软锰矿(主要成分为MnO2,另含有少量铁、铝、铜、镍等金属化合物)作脱硫剂,通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO2,又制得电池材料MnO2(反应条件已省略)。
已知:Ksp(CuS)=8.4×10-45,Ksp(NiS)=1.4×10-24;在除铜、镍的过程中,当Ni2+恰好完全沉淀时[此时溶液中c(Ni2+)=1.0×10-5mol·L-1],溶液中Cu2+的浓度是________mol·L-1
2.为回收利用废镍催化剂(主要成分为NiO,另含Fe2O3、CaO、CuO、BaO等),科研人员研制了一种回收镍的新工艺。工艺流程如图所示:
已知:①常温下,有关氢氧化物开始沉淀和沉淀完全的pH如下表所示:
氢氧化物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Ni(OH)2
开始沉淀的pH
1.5
6.5
7.7
沉淀完全的pH
3.7
9.7
9.2
②常温下,Ksp(CaF2)=2.7×10-11
操作C可除去溶液中的Ca2+,若控制溶液中F-,浓度为3.0×10-3mol·L-1,则溶液中=_________
3.无色透明的锆石(主要成分为ZrSiO4)酷似钻石,是很好的钻石代用品。锆石又称锆英石,常含有铁、铝、铜的氧化物杂质。工业上一种以锆英石为原料制备ZrO2的工艺流程如图所示:
已知:ⅰ.Zr在化合物中通常显+4价,“氯化”过程中除C、O元素外,其他元素均转化为高价氯化物;
ⅱ.SiCl4极易水解生成硅酸;ZrCl4易溶于水,390 ℃升华;
ⅲ.Fe(SCN)3难溶于有机溶剂MIBK,Zr(SCN)4在水中的溶解度小于在有机溶剂MIBK中的溶解度。
常用的铜抑制剂有NaCN(氰化钠),NaCN可与铜离子反应生成Cu(CN)2{Ksp[Cu(CN)2]=4×10-10}沉淀。已知盐酸溶解后的溶液中Cu2+的浓度为1 mol·L-1,当溶液中Cu2+浓度不大于1×10-6 mol·L-1时即达到后续生产的要求,则欲处理1 L该溶液至少需要2 mol·L-1的NaCN溶液的体积为________L(溶液混合时的体积变化忽略不计,计算结果保留两位小数)。
四、判断离子是否开始沉淀
以AmBn(s)mAn+(aq)+nBm-(aq)为例
溶度积
离子积
概念
沉淀溶解的平衡常数
溶液中有关离子浓度幂的乘积
符号
Ksp
Qc
表达式
Ksp(AmBn)=cm(An+)·cn(Bm-),式中的浓度都是平衡浓度
Qc(AmBn)=cm(An+)·cn(Bm-),式中的浓度都是任意浓度
应用
判断在一定条件下沉淀能否生成或溶解
①Qc>Ksp:溶液过饱和,有沉淀析出
②Qc=Ksp:溶液饱和,处于平衡状态
③Qc<Ksp:溶液未饱和,无沉淀析出
【对点训练4】
1.Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料,可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备,工艺流程如下:
若“滤液②”中c(Mg2+)=0.02 mol·L-1,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍),使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5 mol·L-1,此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?_______________________________________
_______________________________(列式计算)。[已知:FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10-22、1.0×10-24]
2.高纯活性氧化锌可用于光催化、光电极、彩色显影等领域。以工业级氧化锌(含Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等)为原料,用硫酸浸出法生产高纯活性氧化锌的工艺流程如下:
加入KMnO4溶液反应一段时间后,溶液中c(Fe3+)=0.56 mg·L-1,若溶液pH=3,则此时Fe3+________(填“能”或“不能”)生成沉淀。[已知:Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38]
3.某化工厂用含NiO的废料(杂质为Fe2O3、CaO、CuO等)制备羟基氧化镍(2NiOOH·H2O)的工艺流程如下:
已知:相关金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围如下。
离子
Fe3+
Fe2+
Ni2+
开始沉淀的pH
2.7
7.6
7.1
沉淀完全的pH
3.7
9.6
9.2
沉钙时,当溶液中c(F-)=3.0×10-3 mol·L-1时,通过计算确定溶液中Ca2+是否沉淀完全_________________
___________________________________________________________________[常温时,Ksp(CaF2)=2.7×10-11]
五、计算离子开始沉淀时的pH及完全沉淀时的pH
【对点训练5】
1.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
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
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 mol·L-1时,可认为该离子沉淀完全)
2.七铝十二钙(12CaO·7Al2O3)是新型的超导材料和发光材料,用白云石(主要含CaCO3和MgCO3)和废Al片制备七铝十二钙的工艺如下:
用适量NH4NO3溶液浸取煅粉后,镁化合物几乎不溶,若滤液Ⅰ中c(Mg2+)小于5×10-6mol·L-1,则溶液pH大于________[Mg(OH)2的Ksp=5×10-12]
3.工业中利用锂辉石(主要成分为LiAlSi2O6,还含有FeO、CaO、MgO等)制备钴酸锂(LiCoO2)的流程如下:
已知:部分金属氢氧化物的pKsp(pKsp=-lgKsp)的柱状图如图
(1)向“浸出液”中加入CaCO3,其目的是除去“酸化焙烧”中过量的硫酸,控制pH使Fe3+、Al3+完全沉淀,则pH的范围为________。(保留到小数点后一位。已知:完全沉淀后离子浓度低于1×10-5mol·L-1)
(2)常温下,已知Ksp[Mg(OH)2]=3.2×10-11,Ksp[Fe(OH)3]=2.7×10-39,若将足量的Mg(OH)2和Fe(OH)3分别投入水中均得到其相应的悬浊液,所得溶液中金属阳离子的浓度分别为________mol·L-1、________mol·L-1
六、调pH除杂——计算pH范围
(1)pH控制的范围:杂质离子完全沉淀时pH值~主要离子开始沉淀时pH(注意端值取等)
(2)一般情况下,当溶液中剩余离子的浓度小于1×10-5 mol·L-1时,化学上通常认为生成沉淀的反应进行完全了
【对点训练6】
1.锰酸锂离子蓄电池是第二代锂离子动力电池。一种以软锰矿浆(主要成分为MnO2,含少量 Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质)为原料制备锰酸锂的流程如下图所示。
已知:室温下,Ksp[Al(OH)3]=1×10-33,Ksp[Fe(OH)3]=1×10-39,pH=7.1时Mn(OH)2开始沉淀。氧化除杂时(室温)除去MnSO4溶液中的Fe3+、Al3+(使其浓度小于1× 10-5mol·L-1),需调节溶液pH范围为________
2.对废银合金触电材料进行分离回收既可以节约矿物资源,又可以减少环境污染。某废银合金触电材料含Ag、Cu、Sn等,现欲利用以下工艺流程回收其中的金属资源。
常温下,Cu2+/Sn4+混合液中c(Cu2+)=0.022 mol·L-1,将混合液“加热搅拌”后冷却至室温,再加“尿素”调节溶液的pH范围为_____________。(当溶液中的离子浓度小于10-5mol·L-1时,沉淀完全。已知:Ksp[Sn(OH)4]=1×10-55;Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20)
3.某工厂回收电镀污泥[主要成分为Cu(OH)2、Ni(OH)2、Fe(OH)2、Al(OH)3和砂土]中的铜和镍,工艺流程如下:
已知FePO4、AlPO4、Ni3(PO4)2的Ksp分别为1.0×10-22、1.0×10-19、4.0×10-31,步骤②所得溶液中c(Ni2+)为0.1 mo1·L-1。步骤③反应后溶液中c(PO43—)理论上应控制的范围是
七、去除率
【对点训练7】
1.二硫化钼(MoS2, 其中Mo的化合价为+4)被誉为“固体润滑剂之王”,利用低品质的辉钼矿(含MoS2、SiO2 以及CuFeS2等杂质)制备高纯二硫化钼的一种生产工艺如下:
钼酸钠晶体( Na2 MoO4 ·2H2O)是一种无公害型冷却水系统金属缓蚀剂,可以由MoS2制备。在制备过程中需加入Ba(OH)2固体除去SO42−,若溶液中c(MoO42−)=0.4 mol/L,c(SO42−)=0. 05 mol/L,常温下,当BaMoO4即将开始沉淀时,SO42−的去除率为_______________ [忽略溶液体积变化。已知:259℃,Ksp( BaMoO4)=4.0×10−8 , Ksp(BaSO4)=1.1×10−10]
2.从废旧锂离子二次电池(主要成分为LiCoO2,还含有少量石墨和镀镍金属钢壳、铝箔以及钙等杂质)中回收钴和锂的工艺流程如下:
若“沉锂”中c(Li+)=1.0 mol·L-1,加入等体积等浓度Na2CO3溶液,此时实验所得沉锂率为________
(已知Li2CO3的Ksp为9.0×10-4)
3.金属钼在工业和国防建设中有重要的作用。钼(Mo)的常见化合价为+6、+5、+4。由钼精矿(主要成分是MoS2)可制备单质钼和钼酸钠晶体(Na2MoO4·2H2O),部分流程如图1所示:
已知:钼酸微溶于水,可溶于碱液和氨水
操作1中,加入碳酸钠溶液充分反应后,碱浸液中c(MoO)=0.80 mol·L-1,c(SO)=0.04 mol·L-1,在结晶前需加入Ba(OH)2固体以除去溶液中的SO。当BaMoO4开始沉淀时,SO的去除率是______________
[Ksp(BaSO4)=1.1×10-10、Ksp(BaMoO4)=4.0×10-8,溶液体积变化可忽略不计]
无机化工流程题的解题策略
1.无机工艺流程试题的结构模型
流程图一般三大部分:原料预处理、核心化学反应、产品的分离与提纯
呈现模式
识图方法
箭头的意义
图1:箭头进入的是反应物(投料),箭头出去的是生成物(产物、副产物)
图2:箭头表示反应物分步加入和生成物出来
图3:返回的箭头一般是“循环利用”的物质
2.无机工艺流程题常考的设问角度
设问角度
(1)原料预处理方法及反应
(2)加入试剂判断及加入试剂的作用
(3)陌生化学(离子)方程式的书写
(4)分离、提纯的仪器、操作及操作目的
(5)滤渣、滤液成分判断
(6)实验条件的选择,温度或pH调节
(7)图表、图像分析
(8)物质循环利用
(9)计算
2.化工流程试题的一般解题策略
(1)审题“四角度”
审题干
①明确原料的主要成分和杂质成分
②明确目的
审信息
①寻找信息再流程中的作用
②寻找信息与某设问的对立关系
审流程
①明确三线:主线产物,分支副产物,回线为循环物
②结合设问的问题细审流程中转化原理,找出进料物质(反应物)和出去物质(生成物)的主产物和副产物
审设问
明确答什么,答的问题与哪步流程有关,考查的什么知识等
(2)破题“三方法”
首尾分析法
对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题,首先对比分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品),从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答
分段分析法
对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工业流程题,用分段分析法更容易找到解题的切入点
交叉分析法
有些化工生产选用多组原材料,先合成一种或几种中间产品,再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品,这种题适合用交叉分析法。就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理划分成几条生产流水线,然后上下交叉分析
[解题思路]
●首尾对比:对比分析原料与目标产物之间的关系,比较物质变化和主要元素化合价的变化
●主元素跟踪:跟踪主要物质(元素)的转化形式和转化方法,即原料→中间转化物质→目标产物
●除杂分析:分析原料中的“杂质”转化除去过程,分析每一步骤的目的以及反应产物、反应过程
●综合判断:根据题干信息、流程信息、题中设问信息审题、解题(读完全题再做题)
(3)解题“三步骤”
第一步:读题头,得目的,找原料,明产品,解决“干什么”
通过阅读题头,了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息,通过对比分析工业流程示意图中的第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品),弄清从原料出发,要得到最终产品,必须除去什么元素、引进什么元素
第二步:读题干,析过程,看措施,推用意,解决“怎么做”
题干部分主要用框图形式将原料到产品的主要生产工艺流程表示出来。分析流程中的每一步骤的反应物是什么?发生了什么反应?利用了什么原理(氧化还原、溶解度、电离平衡、水解平衡、溶解平衡)?该反应造成了什么后果?(除目标物质外还产生了什么杂质或副产物?这些物质又是如何分离、提纯和循环利用的?如何体现绿色化学思想?)每一步操作进行到什么程度最佳?在此过程中抓住一个关键点:一切反应或操作都是为获得产品而服务,在回答相关操作的原因或目的时要从对产品的影响层面作答。
第三步:读题问,逐空填答,用语要规范,解决“怎么写”
从化学原理的角度、用化学语言作答;要抓住主要问题,针对具体问题做具体分析。具体答题要点如下:
审清楚
要看清题目要求,按要求答题。如:写离子方程式还是化学方程式;写物质的名称还是化学式等;方程式中反应物、产物的分子式书写要正确;尤其是化学方程式要配平,电极反应式和化学方程式一定要书写正确;正确使用等号或可逆符号;沉淀、气体、水溶液等符号要标明
答规范
回答问题要准确全面,注意语言表达的规范性,例如评价或比较实验方案时要全面考虑:反应物种类多少、是否易得、是否对环境有污染;反应产物的种类多少,对目标产物的分离和提纯是否有影响;反应条件是否苛刻;仪器、设备是否要求高;工艺流程、实验步骤的多少
答完整
要答到对产品生产的影响这一步!
①除杂:除去……中的……(只写“除杂”一类是不给分的)
②干燥:除去……气体中的水蒸气,防止……
【题组训练】
1.二氧化铈(CeO2)是一种重要的稀土化合物。以氟碳铈矿(主要含CeCO3F)为原料制备CeO2的一种工艺流程如图所示。
(1)“氧化焙烧”前需将矿石粉碎成细颗粒,其目的是________________________________________________
(2)酸浸过程中用稀硫酸和H2O2替换HCl不会造成环境污染。写出稀硫酸、H2O2与CeO2反应的离子方程式
_______________________________________________________
(3)向Ce(BF4)3中加入KCl溶液的目的是_________________________________________________________
(4)生成Ce(OH)4的反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为________
(5)取上述流程中得到的CeO2产品0.450 0 g,加硫酸溶解后,用0.100 0 mol·L-1 FeSO4标准溶液滴定至终点时(铈被还原为Ce3+,其他杂质均不反应),消耗25.00 mL标准溶液
①FeSO4溶液盛放在________(填“酸式”或“碱式”)滴定管中
②该产品中CeO2的质量分数为________
(6)CeO2是汽车尾气净化催化剂中最重要的助剂,工作原理如图所示。写出过程①发生反应的化学方程式_________________________________________________
2.钒具有广泛用途,利用含钒废催化剂(主要含有V2O5、VOSO4和不溶性硅酸盐)制备V2O5的新工艺流程如下:
已知:滤液1和滤液2中钒以VO2+的形式存在。回答下列问题:
(1)在实验室中操作Ⅰ用到的玻璃仪器有____________________________________
(2)在滤渣1中加入Na2SO3和过量H2SO4溶液发生氧化还原反应,氧化剂和还原剂的物质的量之比为________
(3)混合液中加入KClO3,发生反应的离子方程式是__________________________________________________
(4)钒最后以NH4VO3的形式沉淀出来。沉钒率(NH4VO3沉淀中V的质量和废催化剂中V的质量之比)表示该工艺钒的回收率。如图是沉钒率随温度变化的关系曲线,沉钒时,温度超过80 ℃以后,沉钒率下降的可能原因是________________________________________________________________(写一条即可)
(5)称取w g所得产品,先用硫酸溶解,得到(VO2)2SO4溶液,再加入a1 mL b1 mol·L-1的(NH4)2Fe(SO4)2溶液,最后用b2 mol·L-1酸性KMnO4溶液滴定过量的(NH4)2Fe(SO4)2至终点,消耗KMnO4溶液的体积为a2 mL。假设杂质不参与反应,KMnO4被还原为Mn2+。则产品中V2O5的质量分数为__________________。[已知(VO2)2SO4和(NH4)2Fe(SO4)2溶液反应的离子方程式为VO+2H++Fe2+===VO2++Fe3++H2O]
3.利用废镍电池的金属电极芯(主要成分为Co、Ni,还含少量Fe、Al等)生产醋酸钴晶体、硫酸镍晶体的工艺流程如下
已知:部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如下表:
沉淀物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Co(OH)2
Co(OH)3
Al(OH)3
Ni(OH)2
开始沉淀pH
2.2
7.4
7.6
0.1
4.0
7.6
完全沉淀pH
3.2
8.9
9.2
1.1
5.2
9.2
(1)用硫酸浸取金属电极芯时,提高浸取率的方法有______________________________(写出一种合理方法即可)
(2)沉淀A的主要成分是Fe(OH)3、________________,“浸出液”调节pH的范围为________,调节pH选用的试剂可以是________(填字母)。
a.铁 b.氨水 c.碳酸钠溶液 d.稀硫酸
(3)“母液1”中加入NaClO反应的离子方程式为____________________________________________________
(4)向Co(OH)3中加入H2SO4-H2O2混合液,H2O2的作用是____________________
(5)“母液3”中应控制Na2CO3用量使终点pH为8.5为宜,此时c(Co2+)小于________mol·L-1;为防止生成Co(OH)2 沉淀,可用NH4HCO3代替Na2CO3制得CoCO3,写出该反应的离子方程式:________________________
{已知:Ksp[Co(OH)2]=2×10-15}
(6)由“母液4”获取NiSO4·7H2O的操作是________________、________________、过滤、洗涤
4.用锑砷烟灰(主要成分为Sb2O3、As2O3,含Pb、Ag、Cu等元素)制取焦锑酸钠[NaSb(OH)6]和砷酸钠(Na3AsO4),不仅治理了砷害污染,还可综合回收其他有价值的金属。其工艺流程如图所示:
已知:①Ag、Cu、Fe的氧化物不溶于Na2S溶液;
②硫浸后,锑砷以Na3SbS3、Na3AsS3存在;
③NaSb(OH)6易溶于热水,难溶于冷水,不溶于乙醇。
回答下列问题:
(1)“硫浸”时,Sb2O3溶解的离子方程式为________________________________________
(2)用NaNO3和NaOH浸取锑砷烟灰也可得到Na3SbO4,其缺陷是_____________________________________
(3)“氧化”时所用H2O2的电子式为___________,反应温度不宜太高的原因是____________________________
(4)“中和”时,生成NaSb(OH)6的化学方程式为_______________________________________________________,操作X为__________、过滤、洗涤、干燥。
(5)As2O3对应的酸为H3AsO3,测得某工业酸性废液中含H3AsO3和Fe2+,其浓度如表:
物质
H3AsO3
Fe2+
浓度/(g·L-1)
0.378
0.840
已知:Ksp(FeAsO3)>Ksp(FeAsO4)=5.70×10-21,H3AsO3的还原性比Fe2+强。
根据题目信息,则可采用____________方法除去该废水中的砷,除去砷后的废液中c(AsO)=_____mol·L-1(不考虑反应过程中溶液体积的微小变化)
5.V2O3是一种良好的催化剂,用于加氢反应。以某地石煤矿(主要成分:V2O3、V2O5及少量SiO2、Al2O3)为原料制备高纯V2O3的工艺流程如下:
已知:①偏钒酸铵(NH4VO3)微溶于水;煅烧所得V2O5中含少量VN,2VN+3H2ON2↑+3H2↑+V2O3
②V2O5+6NaOH(aq)===2Na3VO4+3H2O;SO2、Fe2+、草酸(H2C2O4)等还原剂均可以将Na3VO4的酸性
溶液还原,形成蓝色的VO2+溶液
回答下列问题:
(1)石煤矿预先粉碎的目的是____________________________________________
(2)“焙烧”时V2O3发生反应的化学方程式为_____________________________________________________,“焙烧”时若H2O(g)不足,会产生造成环境污染的气体,写出生成该气体的化学方程式______________________
(3)“焙烧”后的球团在串联的浸取塔内作逆流浸取,温度对浸取率的影响如图所示。生产中采用125 ℃条件下“水浸”的优点是______________________________________
(4)该工艺生产中可回收再用于该生产的物质有________(填化学式)。
(5)生产中准确测定煅烧所得V2O5的纯度可为后续生产提供理论依据。准确称取煅烧所得5.0 g V2O5,加入足量氢氧化钠溶液使其完全溶解,加入稀硫酸使溶液呈酸性,用1 mol·L-1的草酸标准液进行滴定,达到滴定终点时消耗草酸标准液25.00 mL,则煅烧所得V2O5的纯度为________
6.砷(As)为VA族元素,其化合物会影响人体代谢和免疫功能,造成砷中毒。某含砷工业废水[主要以亚砷酸(H3AsO3)形式存在]经处理转化为粗As2O3,流程如下:
已知:亚砷酸钙微溶于水,砷酸钙难溶于水。亚砷酸易受热分解为As2O3
(1)“碱浸”中发生反应的离子方程式为________________________________
(2)从绿色化学角度看,“试剂1”可以选择 (填化学式)
(3)“沉砷”在流程中的目的是______________________________;“沉砷”过程中将砷元素转化为Ca5(AsO4)3OH沉淀,发生的主要反应为5Ca2+(aq)+OH-(aq)+3AsO(aq)Ca5(AsO4)3OH(s) ΔH>0。资料表明:“沉砷”的最佳温度是85 ℃,温度高于85 ℃时,随温度升高转化率下降,可能的原因是__________________________
________________________________________________
(4)“转化”中发生反应的化学方程式______________________________
(5)从综合利用的角度考虑“滤液2”可返回 步骤中循环再利用
7.铟(49In)在地壳中主要存在于铅、锌矿物中,是一种重要的稀散金属,其开发和综合利用是国家重点鼓励发展的产业。从铅、锌的冶炼过程中产生的高铟烟灰(主要含ZnO、PbO、 Fe2O3、In2O3、In2S3)中提取铟的流程如图:
已知:滤液中铟以In3+的形式存在
回答下列问题:
(1)铟的原子结构示意图为
(2)“酸浸氧化”需要加热,其目的是_________________________________,该过程中KMnO4只将In2S3中的硫元素氧化为SO,则氧化剂与还原剂的物质的量之比为 ,滤渣的主要成分的化学式是
(3)萃取剂选用的是一种有机磷酸酯,其在酸性溶液中可萃取三价金属离子。“净化”时加入铁粉的作用是________________________________________(用离子方程式表示),可用 溶液检测此离子是否除尽
(4)“萃取”时,不同的c(H+)下有机磷酸酯对三价金属离子的萃取率及分层时间如表:
c(H+)/(mol·L-1)
分层时间/min
萃取率/%
0.5
5*
94.6
1.0
4
94.1
1.5
4
91.1
2.0
4
82.1
2.5
3
74.1
注:*表示有少量乳化作用发生,会导致两相分层困难
萃取过程中应选择的最佳c(H+)为 mol·L-1
(5)粗铟可用电解法进行提纯,提纯过程中粗铟作 极(填“阴”或“阳”)
(6)锌主要应从 中进行回收
A.滤渣 B.净化渣 C.水相 D.有机相
8.由含锌废料(主要含ZnO、PbO、CuO及少量FeO、MnO)生产锌及氧化锌的流程如图所示:
回答下列问题:
(1)浸出渣主要成分为 (填化学式,下同) ;沉淀渣2为
(2)“除铁锰””时,Mn(Ⅱ)氧化生成MnO2(S2O转化为SO),配平该反应的离子方程式
Mn2++ S2O+ H2O=== MnO2↓+ SO+ H+
(2)“沉锌”时,反应的化学方程式为________________________________________________;检验Zn(OH)2·ZnCO3已洗涤干净的方法是________________________________________________________________________
(4)“电解”中产生 (填化学式)可在 (填操作单元名称)中循环利用
(5)将Zn(OH)2·ZnCO3加热分解可得到具有催化性能的活性氧化锌,若加热过程中固体质量减少了6.2 kg,则理论上生成 kg氧化锌
9.CdS又称镉黄,可用作黄色颜料,也用于制备荧光粉等。以镉铁矿(成分为CdO2、Fe2O3、FeO及少量的Al2O3和SiO2)为原料制备CdS的工艺流程如图:
回答下列问题:
(1)“滤渣1”的成分是 (写化学式)
(2)“还原镉”时,产生能使澄清石灰水变浑浊的气体,发生反应的离子方程式为__________________________
(3)加入H2O2溶液的目的是___________________________________________
(4)通入H2S也可以“沉镉”,发生反应的离子方程式为_______________________________________
(5)实际工业生产中,有时采用阳离子交换树脂法来测定沉镉后溶液中Cd2+的含量,其原理是:
Cd2++2NaR===2Na++CdR2,其中NaR为阳离子交换树脂。常温下,将沉镉后的溶液经过阳离子交换树脂后,测得溶液中的Na+比交换前增加了0.055 2 g·L-1.此时溶液pH=6,则该条件下Cd(OH)2的Ksp=
(6)CdS不溶于稀盐酸,可溶于浓盐酸,并生成H2[CdCl4],反应的化学方程式为___________________________
若向反应后的溶液中加水稀释,又出现黄色沉淀,用平衡移动原理解释___________________________________
(已知Cd2++4Cl-[CdCl4]2-)
10.利用废镍电池的金属电极芯(主要成分为Co、 Ni,还含少量Fe、Al等)生产醋酸钴晶体、硫酸镍晶体的工艺流程如下
已知:部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表:
金属离子
Fe2+
Fe3+
Al3+
Ni2+
Co2+
开始沉淀的pH
6.3
1.5
3.4
6.2
7.15
沉淀完全的pH
8.3
2.8
4.7
8.9
9.15
(l)用硫酸浸取金属电极芯时,提高浸取率的方法有______________________(写出一种合理方法即可)
(2)沉淀A的主要成分是Fe(OH)3、 ,“浸出液”调节pH的范围为 ,调节pH选用的试剂可以是 (选填序号)
a.铁 b.氨水 c.碳酸钠溶液 d.稀硫酸
(3)“母液1”中加入NaClO反应的离子方程式为_____________________
(4)向Co(OH)3中加入H2SO4,H2O2混合液,H2O2的作用是___________________
(5)“母液3”中应控制Na2CO3用量使终点pH为8.5为宜,此时c(Co2+)小于 mol/L;为防止生成Co(OH)2沉淀,可用NH4HCO3代替Na2CO3制得CoCO3,写出该反应的离子方程式____________________________
(已知:Ksp[Co(OH)2]=2×10-15)
(6)由“母液4”获取NiSO4.7H2O的操作是 , ,过滤,洗涤
1
学科网(北京)股份有限公司
学科网(北京)股份有限公司
固体C
纯固
体A
带油污镀锌废铁片
⑥
FeSO4
溶液
②加入少量B
③加入过量稀硫酸
干燥
晶体
④加入(NH4)2SO4(s)
⑤调节pH为1~2
潮湿的
硫酸亚
铁铵晶体
①碱液洗涤
$$