第4单元 素养提升练(四) 科学探究——以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析(Word练习)-【高考快车道】2026年高考化学大一轮专题复习总复习

素养提升练(四)　科学探究——以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析 探究点一　以金属及其化合物为主体的“微流程” 1.以混有SiO2的MgCO3为原料制备氧化镁的实验流程如图所示。 下列说法错误的是 (　) A.“酸浸”的离子方程式为C+2H+CO2↑+H2O B.浸出渣的成分是SiO2 C.母液的主要溶质是NH4Cl D.固体X是Mg(OH)2 2.为研究废旧电池的再利用,实验室利用废旧电池的铜帽(主要成分为Zn和Cu)回收Cu并制备ZnO的部分实验过程如图所示。下列叙述错误的是 (　) A.“溶解”操作中溶液温度不宜过高 B.铜帽溶解后,将溶液加热至沸腾以除去溶液中过量的氧气或H2O2 C.与锌粉反应的离子可能为Cu2+、H+ D.“过滤”操作后,将滤液蒸发结晶、过滤、洗涤、干燥后,高温灼烧即可得纯净的ZnO 3.[2023·辽宁卷] 某工厂采用如下工艺制备Cr(OH)3,已知焙烧后Cr元素以+6价形式存在,下列说法错误的是 (　) A.“焙烧”中产生CO2 B.滤渣的主要成分为Fe(OH)2 C.滤液①中Cr元素的主要存在形式为Cr D.淀粉水解液中的葡萄糖起还原作用 4.[2024·河北保定十校三模] 碳酸亚铁(FeCO3)能够帮助治疗缺铁性贫血,属于一种补铁的营养补充剂。制备FeCO3的工艺流程如图所示。 已知:“还原”工序中不生成S单质。下列说法错误的是 (　) A.FeS2中S的化合价为-1价 B.“酸浸”时,物质X为Fe3O4 C.“还原”时发生反应的离子方程式为14Fe3++FeS2+8H2O15Fe2++2S+16H+ D.“沉铁”时,HC的电离平衡正向移动 5.[2024·安徽合肥三模] 某种以辉铜矿[Cu2S,含Fe3O4、SiO2杂质]为原料制备[Cu(NH3)4]SO4·H2O的流程如图所示,下列说法错误的是 (　) A.向溶液D中加入无水乙醇并用玻璃棒摩擦试管壁可析出目标产物 B.向溶液C中加入硫氰化钾溶液后呈现红色 C.煅烧过程中涉及的主要方程式为2Cu2S+5O24CuO+2SO3 D.[Cu(NH3)4]SO4·H2O中配位原子为N 6.[2024·山东日照模拟] 某工厂废液经简易处理后的沉淀泥浆中含有大量废铜丝和少量V、Ti、Fe、Si元素氯化物及复杂化合物,一种以该沉淀泥浆为原料回收铜与钒的工艺流程如图所示。 已知:常温下Ksp[Fe(OH)3]=2.79×10-39, Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20,溶液中的离子浓度小于10-5mol·L-1时,可以认为已经被除尽。 下列说法错误的是 (　) A.泥浆在空气中堆放后由灰色变为疏松的绿色粉状,是因为铜被氧化,便于后续酸浸时铜进入溶液 B.流程中利用Cu2(OH)3Cl+OH-2Cu(OH)2+Cl-除氯,可以减少酸浸时含氯化合物的挥发 C.若浸出液中Cu2+的浓度为0.1 mol·L-1,则酸浸时可调pH=5 D.焙烧加入Na2CO3的目的是使V元素转化成可溶性的钒酸盐 7.[2024·辽宁抚顺六校联考] 以高硫铝土矿(主要成分为Fe2O3、Al2O3、SiO2,还含有少量FeS2和硫酸盐)为原料制备聚合硫酸铁{[Fe2(OH)x(SO4)y]n}和明矾的部分工艺流程如图所示。 已知:赤泥液的主要成分为Na2CO3。 下列说法错误的是 (　) A.赤泥液的作用是吸收“焙烧”阶段中产生的SO2 B.从“滤液”到“明矾”的过程中还应有“除硅”步骤 C.聚合硫酸铁可用于净化自来水,与其组成中的Fe3+具有氧化性有关 D.在“聚合”阶段,若增加Fe2O3用量,会使 [Fe2(OH)x(SO4)y]n中x变大 探究点二　以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析 8.[2025·湖北部分重点中学联考] 钛白粉(TiO2)是一种重要的工业原料,可作白色颜料和增白剂。一种以钛铁矿(主要成分是FeTiO3,含有少量的CaO、Fe2O3、SiO2等杂质)为原料生产制备TiO2的工艺流程如图所示。 回答下列问题: (1)基态Ti原子的价层电子排布为　　　　。  (2)“酸浸”是用硫酸在加热下“溶煮”钛铁矿,“滤液1”中含有TiO2+,则“酸浸”中FeTiO3发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　。由图可知,当Fe的浸出率为70%时,所采用的实验条件为　　　　　　　　　　　。  (3)绿矾是FeSO4·7H2O,则“还原”加入过量铁粉的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (4)“水解”过程中适当稀释并加热的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (5)钛是一种性能非常优越的金属,工业上可利用Mg与TiCl4反应制备金属钛。下列金属冶炼方法与Mg冶炼Ti的方法相似的是　　　　(填字母)。  a.高炉炼铁 b.电解熔融NaCl制钠 c.铝热反应制锰 d.HgO分解制汞 9.[2025·辽宁名校联盟联考] 有效利用金属资源有利于资源的可持续发展。以闪锌矿为原料制备金属锌和ZnSO4·7H2O的一种工艺流程如图所示。 已知:该闪锌矿主要成分为ZnS,含少量SiO2、FeS、NiS、CdS等杂质。 (1)“滤渣1”的主要成分为　　　　(填化学式)。  (2)“氧化”时,发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (3)“除杂”时试剂X可以选用　　　　　　　　　　　　　　　,其作用为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (4)“还原除杂”主要目的是除镍镉,其中除Ni2+的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　。  (5)锌在潮湿空气中可生成ZnCO3·3Zn(OH)2,其反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (6)“电解”时,假设电量损耗为20%,则电解得到130 g Zn时共消耗的电量为　　　　C(不考虑其他副反应,F=96 500 C·mol-1)。  (7)取11.48 g ZnSO4·7H2O加热至不同温度,剩余固体的质量变化如图所示。推断固体A的化学式为　　　　　　。  10.[2024·河北石家庄联考] 碱式氧化镍(NiOOH)为镍氢电池的正极材料。用含镍废渣(主要成分为NiO、Fe3O4,还含有少量的CuO、Cr2O3、SiO2等杂质)为主要原料制取NiOOH的工艺流程如图所示。 已知:①部分金属硫化物的Ksp(25 ℃)为Ksp(FeS)=6.3×10-18、Ksp(CuS)=6.3×10-36; ②当溶液pH>12时,Cr(OH)3会转化为Cr。 回答下列问题: (1)Fe、Ni元素在周期表位于　　　　区。  (2)“酸浸”后所得废渣的主要成分为　　　　(填化学式);除铜步骤的离子方程式为　 　　　　　　　　。  (3)“氧化”时,若用稀硝酸代替过氧化氢溶液氧化Fe2+,从环保角度分析其　　　　　(填“是合理的”或“是不合理的”),理由是　  　。  (4)“沉镍”时,加入NaOH溶液调节pH至13,滤液中的Cr2(SO4)3转化为NaCrO2,写出该反应的离子方程式:　 。  (5)“灼烧”反应过程中氧化剂与还原剂的物质的量之比为　　　　。  11.[2025·湖南长沙模拟] 以钒矿石为原料制备化工产品V2O5的一种工艺流程如下: 已知:ⅰ.“焙烧”后,固体中主要含有Fe(VO3)2、、Mn(VO3)2、Ca(VO3)2;“酸浸”后,钒以V形式存在。 ⅱ.P204对四价钒(VO2+)具有高选择性,萃取Fe3+而不萃取Fe2+。 ⅲ.多钒酸铵微溶于冷水,易溶于热水。 ⅳ.该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表所示。 金属离子 Fe3+ Fe2+ Ca2+ Mn2+ 开始沉淀pH 1.9 7.0 11.9 8.1 完全沉淀pH 3.2 9.0 13.9 10.1 回答下列问题: (1)基态Fe原子的价层电子排布为　　　　　　,NH3·H2O中各元素第一电离能顺序由大到小为　　　　　　。  (2)“还原中和”时,还原步骤中V参与反应的离子方程式为　 。  (3)钒的浸出率与焙烧温度、硫酸加入量的关系如图甲、图乙所示。则适宜的工艺条件为　　　　　　　　　　　　　　　　。使用冰水洗涤多钒酸铵的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  甲 乙 (4)流程中可循环使用的物质有　　　　　　　　　　　　　　　。  (5)萃取后的“水相”中含有丰富的金属资源,经三道工序可回收MnSO4溶液。请根据题给信息,参照上述工艺流程,选用括号中所给的合适试剂,将下列工艺流程剩余两步工序补充完整(H2O2溶液、NaClO溶液、稀硫酸、MnO、Na2CO3)。 学科网（北京）股份有限公司 $ 素养提升练(四)　科学探究——以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析 1.A　[解析] MgCO3是微溶物,不可拆成离子,故A错误;SiO2不溶于盐酸,浸出渣为SiO2,故B正确;加入氨水沉镁的化学方程式为MgCl2+2NH3·H2OMg(OH)2↓+2NH4Cl,母液的主要溶质是NH4Cl,固体X是Mg(OH)2,故C、D正确。 2.D　[解析] “溶解”操作中溶液温度不宜过高,否则过氧化氢会分解,故A正确;铜帽溶解后,溶液中存在过氧化氢和氧气,将溶液加热至沸腾以除去溶液中过量的氧气或H2O2,防止后面消耗过多的锌粉,故B正确;固体溶解后溶液中存在Cu2+、H+,都可以与锌粉反应,故C正确;“过滤”操作后滤液中含有硫酸锌和硫酸钠,将滤液蒸发结晶、过滤、洗涤、干燥后,高温灼烧不能得到纯净的ZnO,故D错误。 3.B　[解析] 由题意可知,“焙烧”过程中FeO、Cr2O3均被O2氧化,同时Cr转化为对应钠盐,“水浸”时Fe2O3不溶,过滤除去滤渣,滤液①中存在Na2CrO4,与淀粉的水解产物葡萄糖发生氧化还原反应得到氢氧化铬沉淀。“焙烧”过程中Cr2O3发生反应产生CO2:2Cr2O3+3O2+4Na2CO34Na2CrO4+4CO2,A正确;“焙烧”过程中FeO被氧化,滤渣的主要成分为Fe2O3,B错误;滤液①中Cr元素的化合价是+6价,溶液显碱性,所以Cr 元素主要存在形式为Cr,C正确;“转化”过程中Cr元素由+6价降低为+3价,Cr发生还原反应,淀粉水解液中的葡萄糖起还原作用,D正确。 4.B　[解析] 该工艺流程原料为FeS2,产品为FeCO3,FeS2在空气中焙烧发生反应为4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,物质X为Fe2O3,酸浸得Fe2(SO4)3溶液,与FeS2在“还原”工艺发生反应得到Fe2+,通过加NH4HCO3沉铁得到FeCO3。FeS2中Fe的化合价+2价,S的化合价为-1价,A正确;FeS2在空气中焙烧发生反应为4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,物质X为Fe2O3,B错误;酸浸得Fe2(SO4)3溶液,与FeS2在“还原”工序发生反应得到Fe2+,离子方程式为14Fe3++FeS2+8H2O15Fe2++2S+16H+,C正确;“沉铁”时反应为Fe2++2HCFeCO3↓+H2O+CO2↑,Fe2+与HC电离产生的C结合生成难溶物FeCO3,使HCH++C平衡正移,D正确。 5.C　[解析] 向辉铜矿中通入氧气进行煅烧,发生Cu2S+2O22CuO+SO2,固体B为CuO、Fe3O4和SiO2,加入硫酸过滤后得到含有Cu2+、Fe3+、Fe2+的溶液,加入过量氨水,得到氢氧化铁沉淀、氢氧化亚铁沉淀和[Cu(NH3)4]SO4溶液,再经过处理得到[Cu(NH3)4]SO4·H2O。溶液D为[Cu(NH3)4]SO4溶液,向溶液D中加入无水乙醇,可减小溶液的极性、降低产物的溶解性,用玻璃棒摩擦试管壁可析出目标产物,A正确;溶液C中溶质的主要成分为FeSO4、CuSO4和,加入硫氰化钾溶液会产生红色,B正确;辉铜矿通入氧气进行煅烧,发生反应Cu2S+2O22CuO+SO2,C错误;·H2O中配体是氨分子,配位原子为N,D正确。 6.C　[解析] 由泥浆堆放后由灰色变为疏松的绿色粉状可以得出是铜被氧化,酸浸时可以进入溶液便于后期制备胆矾,A正确;常温下除氯,Cl-进入废液,可以在酸浸时减少HCl挥发,更加环保,B正确;pH=5时,c(OH-)=10-9 mol·L-1,经计算c(Fe3+)== mol·L-1=2.79×10-12 mol·L-1,能使Fe3+除尽,c(Cu2+)== mol·L-1=2.2×10-2 mol·L-1<0.1 mol·L-1,Cu2+也会随之沉淀,C错误;焙烧时加入Na2CO3,可以使V元素转化成可溶性的钒酸盐,水浸时进入溶液,水浸除掉杂质元素,更好地回收钒,D正确。 7.C　[解析] 焙烧时,FeS2与O2反应生成Fe2O3和SO2,反应方程式为4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,用赤泥液中的Na2CO3吸收生成的SO2,A正确;由于“碱浸”造成二氧化硅溶于氢氧化钾溶液,滤液中含硅酸盐,从“滤液”到“明矾”的过程中,需要进行“除硅”步骤,B正确;聚合硫酸铁可用于净化自来水,与其组成中的Fe3+具有水解产生胶体的性质有关,与其组成中的Fe3+具有氧化性无关,C错误;在“聚合”阶段,若增加Fe2O3用量,碱性增强,x变大,D正确。 8.(1)3d24s2 (2)FeTiO3+4H+TiO2++Fe2++2H2O　100 ℃、2 h或90 ℃、5 h (3)将Fe3+全部还原为Fe2+,同时防止Fe2+被氧化 (4)促进水解,防止形成胶体,便于过滤分离TiO2·xH2O (5)ac [解析] 钛铁矿(主要成分是FeTiO3,含有少量的CaO、Fe2O3、SiO2等杂质)加入硫酸酸浸,反应生成TiOSO4、FeSO4、Fe2(SO4)3和微溶的CaSO4,SiO2不与硫酸反应,过滤后所得滤液1中加入铁屑,将三价铁转化为二价铁,再将绿矾(FeSO4·7H2O)分离出来,TiOSO4经过水解后得到TiO2·xH2O和硫酸,最后煅烧TiO2·xH2O得到钛白粉(TiO2)。 (1)Ti是22号元素,基态Ti原子的简化电子排布式为[Ar]3d24s2,价层电子排布为3d24s2。(2)“酸浸”是加入硫酸后,硫酸与FeTiO3加热发生反应生成TiOSO4、FeSO4,离子方程式为FeTiO3+4H+TiO2++Fe2++2H2O;当Fe的浸出率为70%时,可对应100 ℃和90 ℃两条曲线,故实验条件为100 ℃、2 h或90 ℃、5 h。(3)加入过量铁粉是为了将Fe3+全部还原为Fe2+,同时防止Fe2+被氧化。(4)TiOSO4经过水解后得到TiO2·xH2O和硫酸,根据水解规律:越稀越水解、越热越水解,则“水解”过程中适当稀释并加热是为了促进水解,防止形成胶体,便于过滤分离TiO2·xH2O。(5)工业上可利用Mg与TiCl4反应制备金属钛,利用的是热还原法。高炉炼铁是利用CO在高温条件下将Fe2O3还原为Fe,是热还原法,a符合题意;电解熔融NaCl制钠为电解法,b不符合题意;铝热反应制锰是利用Al在高温条件下将二氧化锰还原生成锰,属于热还原法,c符合题意;HgO分解制汞为热分解法,d不符合题意。 9.(1)SiO2 (2)4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O (3)ZnO或ZnCO3或Zn(OH)2等　调节pH,使Fe3+水解,转化为Fe(OH)3沉淀过滤除掉 (4)Ni2++ZnNi+Zn2+ (5)4Zn+2O2+3H2O+CO2ZnCO3·3Zn(OH)2 (6)482 500　(7)ZnSO4·H2O [解析] 工业上用闪锌矿为原料,通入空气进行焙烧,金属硫化物发生2ZnS+3O22ZnO+2SO2等反应,得到ZnO等氧化物,向焙烧后的固体中加入稀硫酸酸浸,得到含硫酸锌、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸镉、硫酸镍的溶液,“滤渣1”为SiO2;通入O2,氧化亚铁离子生成Fe3+,加入试剂X调pH,除去Fe3+,再加入锌粉发生置换反应除去镉和镍,滤液为ZnSO4溶液,经过一系列操作得到ZnSO4·7H2O,或电解得到金属锌。 (1)由分析可知,“滤渣1”的主要成分为SiO2。(2)“氧化”的目的是氧化亚铁离子生成Fe3+,离子方程式为4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O。(3)加入试剂X的目的是除去Fe3+,则不引入新杂质的情况下可以加入ZnO或ZnCO3或Zn(OH)2等调节pH,使Fe3+水解,转化为Fe(OH)3沉淀过滤除掉。(4)“还原除杂”为加入锌发生置换反应除去镉和镍,除Ni2+的离子方程式为Ni2++ZnNi+Zn2+。(5)锌在潮湿空气中可生成ZnCO3·3Zn(OH)2,其反应的化学方程式为4Zn+2O2+3H2O+CO2ZnCO3·3Zn(OH)2。(6)电解得到130 g Zn,转移电子为4 mol,电量损耗为20%,则共消耗电量4 mol×96 500 C·mol-1÷0.8=482 500 C。 (7)n(ZnSO4·7H2O)==0.04 mol,其中结晶水的质量为0.04 mol×7×18 g·mol-1=5.04 g,加热至100 ℃时,失去水的质量=11.48 g-7.160 g=4.32 g<5.04 g,则减少H2O的物质的量n(H2O)==0.24 mol,即0.04 mol ZnSO4·7H2O失水0.24 mol,A的化学式为ZnSO4·H2O。 10.(1)d　(2)SiO2　Cu2++FeSCuS+Fe2+ (3)是不合理的　稀硝酸被Fe2+还原为NO,污染环境 (4)Cr3++4OH-Cr+2H2O　(5)1∶4 [解析] 含镍废渣(主要成分为NiO、Fe3O4,还含有少量的CuO、Cr2O3、SiO2等杂质)加稀硫酸酸浸,其中SiO2不溶于稀硫酸,过滤除去,滤液中含Ni2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+和Cr3+;酸性滤液中加入FeS,将Cu2+转化为CuS沉淀过滤除去;加入过氧化氢溶液,将Fe2+氧化为Fe3+后,加入Na2CO3溶液将Fe3+转化为黄钠铁矾沉淀,过滤除去;再加入NaOH溶液将Ni2+转化为Ni(OH)2沉淀,Cr3+在过量NaOH溶液中转化为NaCrO2,过滤出氢氧化镍后在空气中灼烧生成碱式氧化镍。 (1)根据Fe、Ni元素基态原子核外电子排布式可知,二者在周期表中位于d区。(2)酸浸时SiO2不溶于稀硫酸,为滤渣;酸性滤液中加入FeS,将Cu2+转化为CuS沉淀过滤除去,离子方程式为Cu2++FeSCuS+Fe2+。(3)“氧化”时,若用稀硝酸代替过氧化氢溶液氧化Fe2+,稀硝酸被Fe2+还原为NO,污染环境。(4)结合题干信息:当溶液pH>12时,Cr(OH)3会转化为Cr,则“沉镍”时,加入NaOH溶液调节pH至13,滤液中的Cr2(SO4)3转化为NaCrO2,离子方程式为Cr3++4OH-Cr+2H2O。(5)“灼烧”时发生反应4Ni(OH)2+O24NiOOH+2H2O,则氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶4。 11.(1)3d64s2　N>O>H (2)4H++Fe+2V2VO2++Fe2++2H2O (3)温度:820 ℃左右(800~830 ℃之间均可);硫酸加入量:6%(6%~6.5%之间均可)　降低多钒酸铵的溶解度,减少损失 (4)有机溶剂P204、NH3(或氨水) (5) [解析] 钒矿石经破碎、焙烧后,固体中主要含有Fe(VO3)2、Fe(VO3)3、Mn(VO3)2、Ca(VO3)2,加稀硫酸酸浸,钙离子转化为CaSO4微溶物并经过滤除去,滤液中钒以V形式存在,加铁粉和氨水进行还原中和,该工序pH低于7.0,铁将V还原为VO2+,发生反应4H++Fe+2V2VO2++Fe2++2H2O,且溶液中铁离子和铁反应生成亚铁离子,所得溶液经有机溶剂P204萃取后,Fe2+、Mn2+等进入水相,反萃取后,VO2+进入水相,加NaClO3将VO2+氧化为V,加氨水沉钒,生成的多钒酸铵煅烧生成V2O5。 (1)基态Fe原子的价层电子排布为3d64s2;同周期从左到右第一电离能呈增大趋势,但N的2p轨道上电子为半满状态,第一电离能N大于O,故NH3·H2O中各元素第一电离能由大到小为N>O>H。(2)据分析,“还原中和”时,还原步骤中V参与反应的离子方程式为4H++Fe+2V2VO2++Fe2++2H2O。(3)结合图甲、图乙可知,适宜的工艺条件为温度:820 ℃左右(800~830 ℃之间均可),硫酸加入量:6%(6%~6.5%之间均可),此时钒的浸出率最高;根据信息ⅲ,洗涤多钒酸铵时要用冰水洗涤的目的是降低多钒酸铵的溶解度,减少溶解损失。(4)循环使用的物质具有“既消耗,又生成”的特点,根据流程图可发现有机溶剂P204具有该特点;分析“煅烧”反应:(NH4)2V6O162NH3↑+3V2O5+H2O,可知NH3(或氨水)在流程中也可循环使用。(5)“萃取”分离后,所得“水相”中的金属离子有Mn2+、Fe2+和少量的Ca2+,欲得到MnSO4溶液,需除去杂质离子Ca2+、Fe2+,第一道工序已经除去Ca2+,说明后续工序应除去Fe2+,又结合各金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH,可知需将Fe2+氧化为Fe3+,为了不引入杂质离子,氧化剂可选择H2O2溶液,再调溶液的pH,使Fe3+转变成Fe(OH)3沉淀,为了不引入杂质离子,可利用MnO调pH。 学科网（北京）股份有限公司 $