05 发展素养(三) 科学探究——以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析-（学生用书）【高考快车道】2027年高考化学大一轮总复习

该高中化学高考复习学案系统覆盖金属及其化合物的化学工艺流程分析专题，整合“六看法”突破微流程、“三审”思维模型及原料预处理、反应条件控制等核心方法，通过例题与变式题构建从基础原理到综合应用的层次化考点体系，引导学生以问题链为导向自主梳理知识联系，形成系统认知框架。 亮点在于“诊断-梳理-应用”三阶自主学习设计，开篇设置“六看法”自测题帮助学生定位薄弱环节，例题解析融入科学思维（如Ksp计算的证据推理），变式题强化科学探究与实践能力。每个模块配有方法总结表和错题归因卡，支持个性化知识建构，教师可通过学情数据精准指导，有效提升学生自主复习效率与备考实效。

发展素养(三)　科学探究——以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析 　以金属及其化合物为主体的“微流程” “六看法”突破金属及其化合物的制备“微流程” 例1 [2025·湖南卷] 工业废料的综合处理有利于减少环境污染并实现资源循环利用。从某工业废料中回收镉、锰的部分工艺流程如下: 已知:①富集液中两种金属离子浓度相当。 ②常温下,金属化合物的Ksp: 金属化合物 CdS CdCO3 MnS MnCO3 Ksp 8.0×10-27 1.0×10-12 2.5×10-13 2.3×10-11 下列说法错误的是 (　) A. 粉碎工业废料有利于提高金属元素的浸出率 B. 试剂X可以是Na2S溶液 C.“沉镉”和“沉锰”的顺序不能对换 D.“沉锰”时,发生反应的离子方程式为Mn2++HCMnCO3↓+H+ 变式题 [2025·黑吉辽内蒙古卷] 某工厂利用生物质(稻草)从高锰钴矿(含MnO2、Co3O4和少量Fe2O3)中提取金属元素,流程如图。已知“沉钴”温度下Ksp(CoS)=10-20.4,下列说法错误的是 (　) A.硫酸用作催化剂和浸取剂 B.使用生物质的优点是其来源广泛且可再生 C.“浸出”时,3种金属元素均被还原 D.“沉钴”后上层清液中c(Co2+)·c(S2-)=10-20.4 　以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析 1.化学工艺流程思维模型——“三审” (1)审题干——明确原料成分和目的要求 (2)审流程——明确各步转化原理和目的 ①试剂线:为达到最终目的加入的物质,起到酸、碱中和或氧化、还原作用等; ②转化线:元素守恒——焙烧、溶浸、沉淀、煅烧、电解、结晶等; ③除杂线:复分解沉淀、置换沉淀、氧化还原沉淀、加热产生气体等; ④分离线:蒸发、结晶、过滤(趁热过滤)、洗涤、干燥等。 (3)审问题——明确答什么 ①不要答非所问:要看清题目要求,按要求答题,防止答非所问。 ②规范答题:回答问题要准确全面,注意语言表达的规范性,特别是化学用语的书写与表示要准确、规范。 2.化学工艺流程中原料预处理的5种常用方法 方法 目的 研磨 增大固体与液体或气体间的接触面积,加快反应速率 水浸 与水接触反应或溶解 酸浸 与酸接触反应或溶解,使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去 灼烧 除去可燃性杂质或使原料初步转化,如从海带中提取碘时的灼烧就是为了除去可燃性杂质 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 3.化学工艺流程中控制反应条件的6种方法 方法 目的 调节溶液的pH 常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀 控制温度 根据需要升温或降温,改变反应速率或使平衡向需要的方向移动 控制压强 改变速率,影响平衡 使用合适 的催化剂 改变反应速率,控制达到平衡需要的时间 趁热过滤 防止某物质在降温时析出 冰水洗涤 洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗 [注意] 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变大; ②不引入新杂质。例如,若要除去Cu2+中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3等物质调节溶液的pH,不可加入NaOH溶液、氨水等。 例2 [2025·安徽卷节选] 某含锶(Sr)废渣主要含有SrSO4、SiO2、CaCO3、SrCO3和MgCO3等,一种提取该废渣中锶的流程如下图所示。 已知25 ℃时,Ksp(SrSO4)=10-6.46,Ksp(BaSO4)=10-9.97 回答下列问题: (1)锶位于元素周期表第五周期第ⅡA族。基态原子价电子排布式为　　 　。  (2)“浸出液”中主要的金属离子有Sr2+、　　　　　　(填离子符号)。  (3)“盐浸”中SrSO4转化反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　;25 ℃时,向0.01 mol SrSO4粉末中加入100 mL 0.11 mol·L-1 BaCl2溶液,充分反应后,理论上溶液中c(Sr2+)·c(S)=　　　　(mol·L-1)2(忽略溶液体积的变化)。  (4)“浸出渣2”中主要含有SrSO4、　　　　　　　　(填化学式)。  (5)由SrCl2·6H2O制备无水SrCl2的最优方法是　　　　(填标号)。 　　　　　　　　　　　　　 a.加热脱水 b.在HCl气流中加热 c.常温加压 d.加热加压 变式题 [2025·陕青宁晋卷节选] 一种综合回收电解锰工业废盐(主要成分为Mn2+、Mg2+、N的硫酸盐)的工艺流程如下。 已知:①常温下Ksp(MgCO3)=10-5.17,Ksp[Mg(OH)2]=10-11.25,Ksp[Mn(OH)2]=10-12.72; ②S2结构式为 。 回答下列问题: (1)制备废盐溶液时,为加快废盐溶解,可采取的措施有　　　　　　　、　　　　　　　。(写出两种)  (2)“沉锰Ⅰ”中,写出形成的Mn(OH)2被氧化成Mn3O4的化学方程式:　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。当Mg2+(c=10-0.68 mol·L-1)将要开始沉淀时,溶液中剩余Mn2+浓度为　　　　mol·L-1。  (3)“沉锰Ⅱ”中,过量的(NH4)2S2O8经加热水解去除,最终产物是NH4HSO4和　　　　(填化学式)。  学科网（北京）股份有限公司 $ 发展素养(三)　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1 例1　D　[解析] 富集液中含有两种金属离子Cd2+、Mn2+,二者浓度相当,加入试剂X沉镉,由金属化合物的Ksp可知,CdCO3、MnCO3的Ksp 接近,不易分离,则试剂X选择含S2-的试剂,得到CdS滤饼,加入NaHCO3溶液沉锰,发生反应:Mn2++2HCMnCO3↓+CO2↑+H2O,据此解答。粉碎工业废料能增大废料与浸出液的接触面积,有利于提高金属元素的浸出率,A正确;由分析可知,试剂X可以是Na2S溶液,B正确;若先加入NaHCO3溶液进行“沉锰”,由题中信息以及Ksp数据可知,金属离子Cd2+、Mn2+浓度相当,CdCO3、MnCO3的Ksp 接近,则Cd2+也会沉淀,后续流程中无法分离Cd和Mn,所以“沉镉”和“沉锰”的顺序不能对换,C正确;“沉锰”时,发生反应的离子方程式是Mn2++2HCMnCO3↓+CO2↑+H2O,D错误。 变式题　C　[解析] 矿石(含MnO2、Co3O4、Fe2O3)经过硫酸和稻草浸出过滤得到滤液,滤液中含有Fe3+、Mn2+、Co2+,加入Na2CO3沉铁得到FeOOH,过滤,滤液再加入Na2S沉钴得到CoS,过滤最后得到硫酸锰溶液。根据分析可知,加入硫酸和稻草浸出,硫酸作催化剂和浸取剂,A正确; 生物质(稻草)是可再生的,且来源广泛,B正确; 根据图示可知,“浸出”时,Fe元素的化合价没有变化,Fe元素没有被还原,C错误; “沉钴”后的上层清液中存在CoS的沉淀溶解平衡,满足Q=Ksp=c(Co2+)·c(S2-)=10-20.4,D正确。 探究点2 例2　(1)5s2 (2)Ca2+、Mg2+ (3)SrSO4(s)+Ba2+(aq)BaSO4(s)+Sr2+(aq)　10-8.97 (4)BaSO4、SiO2 (5)a [解析] 含锶(Sr)废渣主要含有SrSO4、SiO2、CaCO3、SrCO3和MgCO3等,加入稀盐酸酸浸,碳酸盐溶解进入滤液,浸出渣1中含有SrSO4、SiO2,加入BaCl2溶液,发生沉淀转化,SrSO4(s)+Ba2+(aq)BaSO4(s)+Sr2+(aq),得到SrCl2溶液,经过系列操作得到SrCl2·6H2O晶体。(1)锶位于元素周期表第五周期第ⅡA族,基态原子价电子排布式为5s2。(2)由分析可知,碳酸盐均能溶于盐酸,“浸出液”中主要的金属离子有Sr2+、Ca2+、Mg2+。(3)由分析可知,“盐浸”中发生沉淀的转化,离子方程式为SrSO4(s)+Ba2+(aq)BaSO4(s)+Sr2+(aq);该反应的平衡常数K=====103.51,平衡常数很大,近似认为SrSO4完全转化,溶液中剩余n(Ba2+)=1×10-3 mol,c(Ba2+)=10-2 mol·L-1,则c(S)==10-7.97 mol·L-1,列三段式: , 理论上溶液中c(Sr2+)·c(S)=10-1 mol·L-1×10-7.97 mol·L-1=10-8.97(mol·L-1)2。(4)“盐浸”时发生沉淀的转化,生成了BaSO4,SiO2不参与反应,故“浸出渣2”中主要含有SrSO4、BaSO4、SiO2。(5)Ca(OH)2为强碱,则Sr(OH)2也是强碱,Sr2+不水解,排除b,由平衡移动原理可知,由SrCl2·6H2O制备无水SrCl2,加压不利于脱水,排除c、d,故选a。 变式题　(1)搅拌　适当升温等 (2)6Mn(OH)2+O22Mn3O4+6H2O　10-2.15 (3)O2 [解析] 废盐溶液加入氨水,通入氧气进行“沉锰Ⅰ”得到Mn3O4,溶液再加入(NH4)2S2O8,进行“沉锰Ⅱ”得到MnO2,产生气体O2,溶液再加入NH4HCO3和NH3·H2O调节pH进行“沉镁Ⅰ”,得到MgCO3、Mg(OH)2,煅烧得到MgO,溶液再加入H3PO4进行“沉镁Ⅱ”,得到MgNH4PO4·6H2O沉淀,溶液加入H2SO4调节pH=6.0结晶得到X(硫酸铵),最后(NH4)2SO4、MnO2和Mn3O4经“焙烧”,再经过多步处理得到MnSO4·H2O。 (1)加快废盐的溶解可以采取搅拌、适当升温、粉碎等措施。 (2)Mn(OH)2被O2氧化得到Mn3O4,化学方程式为6Mn(OH)2+O22Mn3O4+6H2O;根据===,c(Mn2+)=10-2.15 mol·L-1。 (3)“沉锰Ⅱ”中,过量的(NH4)2S2O8经加热水解去除,(NH4)2S2O8中存在过氧键,在加热和水存在下发生水解,生成NH4HSO4和H2O2:(NH4)2S2O8+2H2O2NH4HSO4+H2O2,H2O2分解2H2O22H2O+O2↑,总反应为2(NH4)2S2O8+2H2O4NH4HSO4+O2↑,最终产物是NH4HSO4和O2。 学科网（北京）股份有限公司 $