专题二 [热点题空] 第3练 化工流程中试剂用量及温度控制分析-【步步高·考前三个月】2025年高考化学复习讲义课件（A版）（课件PPT+word教案）

[热点题空] 专题二　第3练　 化工流程中试剂用 量及温度控制分析 1.[2024·广东，18(4)(5)]镓(Ga)在半导体、记忆合金等高精尖材料领域有重要应用。一种从电解铝的副产品炭渣(含C、Na、Al、F和少量的Ga、Fe、K、Ca等元素)中提取镓及循环利用铝的工艺如下。 1 2 3 4 5 6 工艺中，LAEM是一种新型阴离子交换膜，允许带负电荷的配离子从高浓度区扩散至低浓度区。用LAEM提取金属离子Mn+的原理如图。已知： ①pKa(HF)=3.2。 ②Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10。 ③浸取液中，Ga(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)以[MClm](m-3)- (m=0~4)微粒形式存在，Fe2+最多可与2个Cl- 配位，其他金属离子与Cl-的配位可忽略。 1 2 3 4 5 6 (4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越　　　，越有利于Ga的提取；研究表明，原料液酸度过高，会降低Ga的提取率。因此，在不提高原料液酸度的前提下，可向Ⅰ室中加入　　　(填化学式)，以进一步提高Ga的提取率。 1 2 3 4 5 6 高 NaCl “LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越高，越有利于生成[GaCl4]-的反应正向进行，有利于Ga的提取，在不提高原料液酸度的前提下，同时不引入新杂质，可向Ⅰ室中加入NaCl，提高Cl-浓度，进一步提高Ga的提取率。 1 2 3 4 5 6 (5)“调pH”中，pH至少应大于　　　，使溶液中c(F-)>c(HF)，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成。若“结晶”后溶液中c(Na+)= 0.10 mol·L-1，则[AlF6]3-浓度为　　　 　 mol·L-1。 1 2 3 4 5 6 3.2 4.0×10-7 由pKa(HF)=3.2，Ka(HF)==10-3.2，为了使溶液中c(F-)>c(HF)，c(H+)=×10-3.2 mol·L-1<10-3.2 mol·L-1，故pH至少应大于3.2，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成；若“结晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，根据Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10，[AlF6]3-浓度为= mol·L-1=4.0 ×10-7 mol·L-1。 1 2 3 4 5 6 2.[2023·湖南，17(2)]超纯Ga(CH3)3是制备第三代半导体的支撑源材料之一，近年来，我国科技工作者开发了超纯纯化、超纯分析和超纯灌装一系列高新技术，在研制超纯Ga(CH3)3方面取得了显著成果，工业上以粗镓为原料，制备超纯Ga(CH3)3的工艺流程如下： 1 2 3 4 5 6 已知：金属Ga的化学性质和Al相似，Ga的熔点为29.8 ℃。 “电解精炼”装置如图所示，电解池温度控制在40~45 ℃的原因是 　　　 　　　　 ，阴极的电极反应式为 　　　 　。  1 2 3 4 5 6 确保生成的Ga为液体，便于从出料口流出 [Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH- 镓的熔点为29.8 ℃，电解精炼温度需高于镓的熔点，因此电解池温度控制在40~45 ℃。Ga和Al性质相似，电解精炼过程中粗镓在阳极失电子产生的Ga3+在NaOH溶液中形成[Ga(OH)4]-，[Ga(OH)4]-在阴极得电子被还原为Ga，故阴极反应为[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-。 1 2 3 4 5 6 3.(2022·福建，11)粉煤灰是火电厂的大宗固废。以某电厂的粉煤灰为原料(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)提铝的工艺流程如下： 回答下列问题： (1)“浸出”时适当升温的主要目的是　　 　　　　　　　　　　　，Al2O3发生反应的离子方程式为　　 　　　　　　。  1 2 3 4 5 6 提高浸出率(或提高浸出速率) Al2O3+6H+===2Al3++3H2O (2)“浸渣”的主要成分除残余Al2O3外，还有　　　 　　。实验测得，5.0 g粉煤灰(Al2O3的质量分数为30%)经浸出、干燥后得到3.0 g “浸渣” (Al2O3的质量分数为8%)，Al2O3的浸出率为　　　。 1 2 3 4 5 6 SiO2和CaSO4 84% 粉煤灰中(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)加入硫酸，浸渣为二氧化硅、硫酸钙，加入硫酸钾，产生复盐明矾沉铝，干燥脱水，焙烧产生氧化铝、硫酸钾和SO2、O2(或SO3)，水浸除去硫酸钾，过滤得到氧化铝。 5.0 g粉煤灰中Al2O3的质量为5.0 g×30%=1.5 g，3.0 g “浸渣”中 Al2O3的质量为3.0 g×8%=0.24 g，则Al2O3的浸出率为× 100%=84%。 1 2 3 4 5 6 (3)“沉铝”时，体系中三种物质的溶解度曲线如下图所示，加入K2SO4沉铝的目的是　　　　 ，“沉铝”的最佳方案为　　 　　。 使更多的铝元素转化为晶体析出，同时保证晶体纯度 加热溶解再冷却结晶 1 2 3 4 5 6 根据沉铝体系中低温下KAl(SO4)2· 12H2O溶解度最小，更容易析出，加入K2SO4沉铝的目的是使更多的铝元素转化为KAl(SO4)2·12H2O析出，同时保证晶体纯度；KAl(SO4)2·12H2O溶解度受温度影响较大，“沉铝”的最佳方案为加热溶解再冷却结晶。 1 2 3 4 5 6 “水浸”后得到的“滤液2”的成分为K2SO4，可返回沉铝工序循环使用。 (4)“焙烧”时，主要反应的化学方程式为__________________________ 　　　　　　　 。  (5)“水浸”后得到的“滤液2”可返回　　　　工序循环使用。 1 2 3 4 5 6 Al2O3+3SO3↑[或4KAl 2K2SO4+2Al2O3+6SO2↑+3O2↑] 2KAl(SO4)2 K2SO4+ 沉铝 4.碱式硫酸铝[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]溶液可用于烟气脱硫。实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝溶液，实验流程如下： 已知“调pH”的反应为(2-x)Al2(SO4)3+3xCaCO3+3xH2O===2[(1-x)Al2(SO4)3· xAl(OH)3]+3xCaSO4+3xCO2↑。 (1)“酸浸”时适当增大H2SO4溶液浓度的目的是_____________________ 　　　　 　。能达到相同目的的方法还有　 　　　(任写一种)。 1 2 3 4 5 6 加快酸浸时的反应速率， 增大浸出率 搅拌(答案合理即可) (2)“酸浸”时应控制H2SO4溶液的用量，H2SO4溶液用量不能太多的原因是　　　　　　　 。 1 2 3 4 5 6 多余的硫酸会增加后续调pH步骤CaCO3的消耗量 5.一种从铜阳极泥(主要含有铜、银、金、少量的镍)中分离提取多种金属元素的工艺流程如下： “分铜”时，如果反应温度过高，会有明显的放出气体现象，原因是 　 　　　。  1 2 3 4 5 6 温度过高，H2O2分解放出氧气 6.六氟铝酸钠俗称冰晶石，广泛应用于冶铝工业。以磷肥副产物氟硅酸铵为原料制备六氟铝酸钠的简易流程如图所示： (1)写出反应①的化学方程式： __________________________ _____________________，适 当加热可以提高反应①的化学 反应速率，但是温度不宜过高， 其原因有两点：一是避免氨水 挥发，降低反应物浓度；二是　　 　　。  1 2 3 4 5 6 (NH4)2SiF6+4NH3·H2O=== 6NH4F+H2SiO3↓+H2O 避免NH4F水解程度增大而损失 氟硅酸铵与氨水反应，可以看成是氟硅酸铵先水解生成氟化氢、硅酸和氨水，然后氨水和氟化氢反应生成氟化铵。温度升高，氨水挥发加快，NH4F水解程度增大。 1 2 3 4 5 6 (2)反应③得到Na3AlF6和滤液，滤液用于反应　　　(填“①”或“②”)循环利用。NH4F溶液不能用玻璃容器盛装，其原因是________________ 　　　　 。 1 2 3 4 5 6 ① NH4F水解生成HF， HF腐蚀玻璃 反应③为Na[Al(OH)4]+6NH4F+2NaOH===Na3AlF6↓+6NH3·H2O，滤液中氨水可以用作反应①的反应物。NH4F发生水解生成HF，HF能与玻璃中的二氧化硅反应生成四氟化硅和水。 1 2 3 4 5 6 (3)通过实验得出Na3AlF6的产率与外界条件关系如图所示(提示：温度、时间针对反应③)。 根据上述实验结果，可知最佳条件：反应温度、反应时间、氢氧化钠与氢氧化铝的物质的量之比依次是　 　　　。 1 2 3 4 5 6 60 ℃、60 min、2.0 $$ [热点题空]　第3练　化工流程中试剂用量及温度控制分析 1.(8分)[2024·广东，18(4)(5)]镓(Ga)在半导体、记忆合金等高精尖材料领域有重要应用。一种从电解铝的副产品炭渣(含C、Na、Al、F和少量的Ga、Fe、K、Ca等元素)中提取镓及循环利用铝的工艺如下。 工艺中，LAEM是一种新型阴离子交换膜，允许带负电荷的配离子从高浓度区扩散至低浓度区。用LAEM提取金属离子Mn+的原理如图。已知： ①pKa(HF)=3.2。 ②Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10。 ③浸取液中，Ga(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)以[MClm](m-3)-(m=0~4)微粒形式存在，Fe2+最多可与2个Cl-配位，其他金属离子与Cl-的配位可忽略。 (4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越　　　　　　　，越有利于Ga的提取；研究表明，原料液酸度过高，会降低Ga的提取率。因此，在不提高原料液酸度的前提下，可向Ⅰ室中加入　　　　　　(填化学式)，以进一步提高Ga的提取率。  (5)“调pH”中，pH至少应大于　　　　　　　，使溶液中c(F-)>c(HF)，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成。若“结晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，则[AlF6]3-浓度为　　　　 mol·L-1。 答案　(4)高　NaCl　(5)3.2　4.0×10-7 解析　(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越高，越有利于生成[GaCl4]-的反应正向进行，有利于Ga的提取，在不提高原料液酸度的前提下，同时不引入新杂质，可向Ⅰ室中加入NaCl，提高Cl-浓度，进一步提高Ga的提取率。(5)由pKa(HF)=3.2，Ka(HF)==10-3.2，为了使溶液中c(F-)>c(HF)，c(H+)=×10-3.2 mol·L-1<10-3.2 mol·L-1，故pH至少应大于3.2，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成；若“结晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，根据Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10，[AlF6]3-浓度为= mol·L-1=4.0×10-7 mol·L-1。 2.(4分)[2023·湖南，17(2)]超纯Ga(CH3)3是制备第三代半导体的支撑源材料之一，近年来，我国科技工作者开发了超纯纯化、超纯分析和超纯灌装一系列高新技术，在研制超纯Ga(CH3)3方面取得了显著成果，工业上以粗镓为原料，制备超纯Ga(CH3)3的工艺流程如下： 已知：金属Ga的化学性质和Al相似，Ga的熔点为29.8 ℃。 “电解精炼”装置如图所示，电解池温度控制在40~45 ℃的原因是　　　　　　　，阴极的电极反应式为　　　　。  答案　确保生成的Ga为液体，便于从出料口流出　[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH- 解析　镓的熔点为29.8 ℃，电解精炼温度需高于镓的熔点，因此电解池温度控制在40~45 ℃。Ga和Al性质相似，电解精炼过程中粗镓在阳极失电子产生的Ga3+在NaOH溶液中形成[Ga(OH)4]-，[Ga(OH)4]-在阴极得电子被还原为Ga，故阴极反应为[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-。 3.(6分)(2022·福建，11)粉煤灰是火电厂的大宗固废。以某电厂的粉煤灰为原料(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)提铝的工艺流程如下： 回答下列问题： (1)“浸出”时适当升温的主要目的是　　　　　　　　　　　　　，Al2O3发生反应的离子方程式为　　　　　　　　。  (2)“浸渣”的主要成分除残余Al2O3外，还有　　　　　。实验测得，5.0 g粉煤灰(Al2O3的质量分数为30%)经浸出、干燥后得到3.0 g “浸渣”(Al2O3的质量分数为8%)，Al2O3的浸出率为　　　　　。  (3)“沉铝”时，体系中三种物质的溶解度曲线如下图所示，加入K2SO4沉铝的目的是　　　　，“沉铝”的最佳方案为　　　　。 (4)“焙烧”时，主要反应的化学方程式为　　　　　　　。  (5)“水浸”后得到的“滤液2”可返回　　　　工序循环使用。  答案　(1)提高浸出率(或提高浸出速率)　Al2O3+6H+===2Al3++3H2O　(2)SiO2和CaSO4　84%　(3)使更多的铝元素转化为晶体析出，同时保证晶体纯度　加热溶解再冷却结晶 (4)2KAl(SO4)2K2SO4+Al2O3+3SO3↑[或4KAl2K2SO4+2Al2O3+6SO2↑+3O2↑]　(5)沉铝 解析　粉煤灰中(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)加入硫酸，浸渣为二氧化硅、硫酸钙，加入硫酸钾，产生复盐明矾沉铝，干燥脱水，焙烧产生氧化铝、硫酸钾和SO2、O2(或SO3)，水浸除去硫酸钾，过滤得到氧化铝。(2)5.0 g粉煤灰中Al2O3的质量为5.0 g×30%=1.5 g，3.0 g “浸渣”中Al2O3的质量为3.0 g×8%=0.24 g，则Al2O3的浸出率为×100%=84%。(3)根据沉铝体系中低温下KAl(SO4)2·12H2O溶解度最小，更容易析出，加入K2SO4沉铝的目的是使更多的铝元素转化为KAl(SO4)2·12H2O析出，同时保证晶体纯度；KAl(SO4)2·12H2O溶解度受温度影响较大，“沉铝”的最佳方案为加热溶解再冷却结晶。(5)“水浸”后得到的“滤液2”的成分为K2SO4，可返回沉铝工序循环使用。 4.(9分)碱式硫酸铝[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]溶液可用于烟气脱硫。实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝溶液，实验流程如下： 已知“调pH”的反应为(2-x)Al2(SO4)3+3xCaCO3+3xH2O===2[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]+3xCaSO4+3xCO2↑。 (1)“酸浸”时适当增大H2SO4溶液浓度的目的是　　　　　。能达到相同目的的方法还有　　　　(任写一种)。 (2)“酸浸”时应控制H2SO4溶液的用量，H2SO4溶液用量不能太多的原因是　　　　　　　。 答案　(1)加快酸浸时的反应速率，增大浸出率　搅拌(答案合理即可)　(2)多余的硫酸会增加后续调pH步骤CaCO3的消耗量 5.(3分)一种从铜阳极泥(主要含有铜、银、金、少量的镍)中分离提取多种金属元素的工艺流程如下： “分铜”时，如果反应温度过高，会有明显的放出气体现象，原因是　　　　。  答案　温度过高，H2O2分解放出氧气 6.(10分)六氟铝酸钠俗称冰晶石，广泛应用于冶铝工业。以磷肥副产物氟硅酸铵为原料制备六氟铝酸钠的简易流程如图所示： (1)写出反应①的化学方程式：　　　　，适当加热可以提高反应①的化学反应速率，但是温度不宜过高，其原因有两点：一是避免氨水挥发，降低反应物浓度；二是　　　　。  (2)反应③得到Na3AlF6和滤液，滤液用于反应　　　　(填“①”或“②”)循环利用。NH4F溶液不能用玻璃容器盛装，其原因是　　　　。  (3)通过实验得出Na3AlF6的产率与外界条件关系如图所示(提示：温度、时间针对反应③)。 根据上述实验结果，可知最佳条件：反应温度、反应时间、氢氧化钠与氢氧化铝的物质的量之比依次是　　　　。  答案　(1)(NH4)2SiF6+4NH3·H2O===6NH4F+H2SiO3↓+H2O　避免NH4F水解程度增大而损失 (2)①　NH4F水解生成HF，HF腐蚀玻璃 (3)60 ℃、60 min、2.0 解析　(1)氟硅酸铵与氨水反应，可以看成是氟硅酸铵先水解生成氟化氢、硅酸和氨水，然后氨水和氟化氢反应生成氟化铵。温度升高，氨水挥发加快，NH4F水解程度增大。(2)反应③为Na[Al(OH)4]+6NH4F+2NaOH===Na3AlF6↓+6NH3·H2O，滤液中氨水可以用作反应①的反应物。NH4F发生水解生成HF，HF能与玻璃中的二氧化硅反应生成四氟化硅和水。 学科网（北京）股份有限公司 $$