内容正文:
专项强化提升(三) 工艺流程应用类
(时间:40分钟 满分:60分)
1.(10分)(2026·广东广州高二检测)电镀在工业生产中具有重要作用,某电镀厂生产的废水经预处理后含有Cr2和少量的Cu2+、Ni2+,能够采用如图流程进行逐一分离,实现资源再利用。
已知:Ksp(CuS)=6.0×10-36和Ksp(NiS)=3.0×10-19。
回答下列问题:
(1)Cr2中Cr元素的化合价为 。(1分)
(2)还原池中有Cr3+生成,反应的离子方程式为 。(1分)
(3)沉淀1为Cr(OH)3,其性质与Al(OH)3相似,则Cr(OH)3与NaOH溶液反应的化学方程式为 。(1分)
(4)①写出Na2S溶液中的质子守恒式:
。(2分)
②沉淀2和沉淀3分别是 。(1分)
(5)若废水中还含有Cd2+,pH=4时S2-的浓度为 mol·L-1,沉淀完成后,进入到沉淀池3的上层清液中c(Cd2+)∶c(Cu2+)= [设H2S平衡浓度为1.0×10-6 mol·L-1,已知:H2S的Ka1=1.0×10-7,Ka2=7.0×10-15,Ksp(CdS)=3.0×10-27]。(共4分)
答案:(1)+6
(2)Cr2+3H2C2O4+8H+2Cr3++6CO2↑+7H2O
(3)Cr(OH)3+NaOHNa[Cr(OH)4]
(4)①c(OH-)=c(HS-)+2c(H2S)+c(H+)
②CuS、NiS
(5)7.0×10-20 5.0×108
解析:在还原池中加入草酸,将Cr2转化为Cr3+,然后只加入碱调pH,先分离出的沉淀1为Cr(OH)3,根据Ksp(CuS)=6.0×10-36<Ksp(NiS)=3.0×10-19,所以再得到的硫化物沉淀2为CuS,最后分离的沉淀3为NiS。(1)设Cr2中Cr为x价,则2x+7×(-2)=-2,可得x=+6,所以Cr的化合价为+6价。(2)还原池中发生的反应为Cr2+3H2C2O4+8H+2Cr3++6CO2↑+7H2O。(3)Cr(OH)3与Al(OH)3性质相似,具有两性,则Cr(OH)3与NaOH溶液反应的化学方程式为Cr(OH)3+NaOHNa[Cr(OH)4]。(4)①Na2S溶液中质子守恒式为c(OH-)=c(HS-)+2c(H2S)+c(H+);②由分析得沉淀2是CuS,沉淀3为NiS。(5)H2S的Ka1·Ka2=,则c(S2-)==mol·L-1=7.0×10-20 mol·L-1;沉淀池3上清液中====5.0×108。
2.(10分)(2026·浙江宁波高二月考)硫酸法从锂辉石中提取碳酸锂是当前比较成熟的提锂技术。以锂辉石(主要成分为Li2O,还含有一定量的SiO2、MgO、Al2O3、CaO、Fe2O3)为原料生产碳酸锂的工艺流程如图所示。
已知:①Li2CO3的溶解度随温度升高而减小。
②Fe3+、Al3+和Mg2+以氢氧化物形式开始沉淀和完全沉淀时,溶液的pH如下表。
沉淀物
Fe(OH)3
Al(OH)3
Mg(OH)2
开始沉淀pH
2.7
3.8
9.4
完全沉淀pH
3.2
5.2
12.4
回答下列问题:
(1)为了提高酸浸效率可以采取的措施有 (任写一条即可),写出“酸浸”时Fe2O3发生反应的离子方程式: 。(共2分)
(2)“中和浸出”时溶液的pH最小为 。(2分)
(3)碱化渣的主要成分为 (填化学式)。(1分)
(4)“沉锂”后获得碳酸锂的操作为蒸发至大量晶体析出、 、洗涤、干燥,即可得到Li2CO3。在实验室模拟上述“结晶”操作时用到的主要实验仪器有酒精灯、 (铁架台、铁圈除外)。检验Li2CO3洗涤干净的方法为 。(共3分)
(5)“沉锂”时,c(Li+)=2.0 mol·L-1,加入Na2CO3固体后,为使沉淀Li2CO3中Li元素含量不小于Li元素总量的96%,则1.0 L溶液中至少需要加入Na2CO3的物质的量为 mol[假设溶液体积不变,Ksp(Li2CO3)=8.0×10-4]。(2分)
答案:(1)将锂辉石粉碎、适当提高反应温度、适当增大硫酸浓度或充分搅拌 Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O
(2)5.2
(3)Mg(OH)2、CaCO3
(4)趁热过滤 蒸发皿、玻璃棒 取最后一次洗涤液少许于试管中,先加入稀盐酸,至不再产生气泡,再加入BaCl2溶液,若无沉淀生成,则证明洗涤干净
(5)1.085
解析:锂辉石(主要成分为Li2O,还含有一定量的SiO2、MgO、Al2O3、CaO、Fe2O3)加入硫酸进行酸浸,金属氧化物转变为硫酸盐,SiO2不溶、硫酸钙微溶而成为浸出渣Ⅰ,浸出液Ⅰ中加入CaCO3调pH,此时Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀,Al3+转化为Al(OH)3沉淀,此为浸出渣Ⅱ的主要成分;浸出液Ⅱ中加入NaOH、Na2CO3溶液,Ca2+、Mg2+分别转化为CaCO3、Mg(OH)2沉淀,成为碱化渣的主要成分。此时所得滤液中的阳离子主要为Li+、Na+等,加入Na2CO3,Li+转化为Li2CO3沉淀,据此分析解题。(1)将锂辉石粉碎以增大固液接触面积、适当提高反应温度、适当增大硫酸浓度或充分搅拌等措施均能提高反应速率,提高酸浸效率;“酸浸”时Fe2O3和H2SO4反应生成Fe2(SO4)3和H2O,该反应的离子方程式为Fe2O3+6H+2Fe3++3H2O。(2)由分析可知,“中和浸出”时Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀,Al3+转化为Al(OH)3沉淀,Mg2+不沉淀,由题给表格数据可知,pH最小为5.2。(3)由分析可知,碱化渣的主要成分为Mg(OH)2、CaCO3。(4)通过蒸发结晶得到碳酸锂,根据已知信息①可知,“沉锂”时获得碳酸锂的操作为蒸发至大量晶体析出、趁热过滤、洗涤、干燥,即可得到Li2CO3;在实验室模拟“结晶”时用到的主要实验仪器有酒精灯、蒸发皿、玻璃棒。“沉锂”时,滤液中含有硫酸根离子,若产品碳酸锂已洗涤干净,则最后一次洗涤液中不含硫酸根离子,故检验沉淀已洗涤干净的方法是:取最后一次洗涤液少许于试管中,先加入稀盐酸,至不再产生气泡,再加入BaCl2溶液,若无沉淀生成,则证明洗涤干净。(5)“沉锂”时,溶液中 c(Li+)=2.0 mol·L-1,加入Na2CO3后,为使沉淀Li2CO3中Li元素含量不小于Li元素总量的96%,沉淀后溶液中c(Li+)=2.0 mol·L-1×(1-96%)=0.08 mol·L-1,溶液中c()== mol·L-1=0.125 mol·L-1,则溶液中的物质的量=0.125 mol·L-1×1 L=0.125 mol,生成碳酸锂沉淀需要碳酸根离子的物质的量=×2.0 mol·L-1×1 L×96%=0.96 mol,共需要碳酸根离子的物质的量为0.96 mol+0.125 mol=1.085 mol,则最少需要加入Na2CO3的物质的量为1.085 mol。
3.(10分)利用蛇纹石提镁后的中和渣(主要成分为Fe2O3及SiO2、Al2O3、Cr2O3、CoO、NiCO3、PbCO3等杂质)提取高附加值的铁红(Fe2O3)的一种工艺流程如下图所示。
已知:①Ksp(CoS)=3.0×10-26,Ksp(NiS)=2.8×10-21;
②溶液中离子浓度≤1.0×10-5mol·L-1时可认为完全沉淀。
请回答下列问题:
(1)滤渣1的成分为 (填化学式),滤液2中主要的金属阳离子为 。(共2分)
(2)还原过程中发生反应的离子方程式为 ,可用试剂 检验还原是否完全。(共2分)
(3)欲制备高纯铁红,净化过程溶液中各离子的沉淀率与pH的关系如下图,则应控制pH为 。(1分)
(4)沉钴镍时,若溶液中Co2+、Ni2+浓度均为0.01 mol·L-1,逐渐加入Na2S溶液,则先沉淀的离子为 ,计算说明两种离子能否彻底先后分离:
。(共4分)
(5)煅烧过程中发生反应的化学方程式为
。(1分)
答案:(1)Al(OH)3和Cr(OH)3 Fe2+、Na+
(2)SO2+2Fe3++2H2O2Fe2++S+4H+ KSCN溶液
(3)4.5
(4)Co2+ 当Co2+恰好沉淀完全时,c(Co2+)=1.0×10-5mol·L-1,根据Ksp(CoS)=3.0×10-26,此时c(S2-)=3.0×10-21mol·L-1,Q(NiS)=3.0×10-23<Ksp(NiS)=2.8×10-21,此时不生成NiS沉淀,故可以将Co2+和Ni2+彻底先后分离
(5)4FeCO3+O22Fe2O3+4CO2
解析:蛇纹石提镁后的中和渣(主要成分为Fe2O3及SiO2、Al2O3、Cr2O3、CoO、NiCO3、PbCO3等杂质)加入硫酸酸浸,SiO2及生成的硫酸铅不溶于H2SO4,所以浸渣的成分是SiO2、PbSO4,酸浸液中含有Fe3+、Al3+ 、Co2+、Cr3+、Ni2+,加入二氧化硫还原Fe3+生成Fe2+,加入NaOH净化,生成Cr(OH)3和Al(OH)3,则滤渣1的成分为Cr(OH)3和Al(OH)3,所得滤液1中加Na2S沉钴镍,则滤渣2为CoS、NiS,所得滤液2中主要的金属阳离子为Fe2+、Na+,加入碳酸氢铵和一水合氨沉铁,反应过程中元素化合价不发生变化,则所得滤渣3为FeCO3,经煅烧得到目标产物铁红(Fe2O3)。(1)据分析,滤渣1的成分为Al(OH)3和Cr(OH)3,滤液2中主要的金属阳离子为Fe2+、Na+。(2)还原过程为二氧化硫还原Fe3+生成Fe2+,发生反应的离子方程式为SO2+2Fe3++2H2O2Fe2++S+4H+,检验还原是否完全,只要检测所得溶液中是否含Fe3+即可,Fe3+能和KSCN溶液显红色,则可用KSCN溶液检验还原是否完全。(3)净化过程是保证Cr3+、Al3+转化为Cr(OH)3和Al(OH)3,而Fe2+尽可能不沉淀,由溶液中各离子的沉淀率与pH的关系图知,pH为4.5时最理想,则应控制pH为4.5。(4)已知Ksp(CoS)=3.0×10-26、Ksp(NiS)=2.8×10-21,则CoS的溶解度比NiS更小,CoS更容易生成,故沉钴镍时,若溶液中Co2+、Ni2+浓度均为0.01 mol·L-1,逐渐加入Na2S溶液,则先沉淀的离子为Co2+;当Co2+恰好沉淀完全时,c(Co2+)=1.0×10-5 mol·L-1,根据Ksp(CoS)=3.0×10-26,此时c(S2-)=3.0×10-21 mol·L-1,Q(NiS)=3.0×10-23<Ksp(NiS)=2.8×10-21,此时不生成NiS沉淀,故可以将Co2+和Ni2+彻底先后分离。(5)沉铁得到的滤渣3为FeCO3,经煅烧得到目标产物铁红(Fe2O3),则煅烧过程中氧气为氧化剂,发生反应的化学方程式为4FeCO3+O22Fe2O3+4CO2。
4.(10分)(2026·浙江高二测试)为了保护环境、充分利用铅资源,通过如图流程实现从废旧铅酸蓄电池(主要含PbSO4、PbO2、PbO、Pb,还有少量的Fe、Al的盐或氧化物等)中回收铅。
已知:
①25 ℃时,Ksp(PbSO4)=2.5×10-8,Ksp(PbCO3)=7.4×10-14。
②25 ℃时,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
Pb2+
Al3+
Fe3+
Fe2+
开始沉淀时的pH
7.1
3.7
2.2
7.5
沉淀完全时的pH
9.1
4.7
3.2
9.0
(1)“脱硫”步骤主要是为了实现PbSO4的转化,请写出离子方程式: ,结合所给数据从沉淀溶解平衡角度分析PbSO4转化的可行性: 。(共4分)
(2)在“酸浸”步骤中,H2O2可以促进Fe2+转化为Fe3+,其中H2O2的作用是 ;H2O2还可以促进Pb转化为(CH3COO)2Pb,写出该反应的化学方程式: ;“酸浸”过程中,温度不能太高,原因可能是 (写出一条即可)。(共3分)
(3)“酸浸”步骤pH应控制在 (填范围)。(1分)
(4)25 ℃时,若“沉铅”步骤中Pb2+开始沉淀的浓度为0.01 mol·L-1,则Pb(OH)2的Ksp= 。(2分)
答案:(1)PbSO4(s)+C(aq)PbCO3(s)+S(aq) PbSO4(s)+C(aq)PbCO3(s)+S(aq)的平衡常数K≈3.4×105>105,该反应向正反应方向进行得较为彻底
(2)作氧化剂 Pb+H2O2+2CH3COOH(CH3COO)2Pb+2H2O 防止温度过高H2O2分解、CH3COOH挥发,导致产率下降
(3)4.7≤pH<7.1 (4)10-15.8
解析:(1)脱硫步骤中,利用足量的碳酸根离子将硫酸铅转化为碳酸铅,离子方程式为PbSO4(s)+C(aq)PbCO3(s)+S(aq),K==≈3.4×105>105,该反应向正反应方向进行得较为彻底。(2)过氧化氢可以将Fe2+氧化为Fe3+,因此H2O2作氧化剂;过氧化氢可以在醋酸环境中将Pb氧化,转化为醋酸铅:Pb+H2O2+2CH3COOH(CH3COO)2Pb+2H2O;过氧化氢受热易分解,因此,控制温度的目的是防止温度过高,过氧化氢分解,同时也防止醋酸挥发。(3)酸浸的过程中要让Al3+、Fe3+全部转化为相应的沉淀,Pb2+不能沉淀,故pH范围为4.7≤pH<7.1。(4)“沉铅”步骤中Pb2+开始沉淀的浓度为0.01 mol·L-1,pH=7.1,则Ksp=c(Pb2+)·c2(OH-)=0.01×()2=10-15.8。
5.(10分)K2Cr2O7是一种强氧化剂,在实验室和工业中都有广泛的应用。以下是K2Cr2O7的两种常见制法。
制法一:以铬铁矿(主要成分为FeCr2O4,含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备K2Cr2O7和红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O),其工艺流程如图所示。回答下列问题。
(1)焙烧工序中发生反应4FeCr2O4+8Na2CO3+7O22Fe2O3+8Na2CrO4+8CO2,并将Al、Si氧化物转化为可溶性钠盐,写出硅的氧化物与纯碱反应的化学方程式: 。(1分)
(2)浸取工序中除去的金属元素是 (填元素名称)元素。(1分)
(3)中和工序的目的是将铝元素和硅元素转化成沉淀除去。当铝元素恰好沉淀完全时,溶液的pH为 。{通常将溶液中某离子浓度小于10-5mol·L-1时视为沉淀完全。已知:Al(OH)3+OH- K=100.63;Kw=10-14}(2分)
(4)酸化工序的目的是 (用离子方程式说明)。(2分)
(5)向红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)结晶后的母液中加入适量KCl,经一系列操作可以得到K2Cr2O7固体。根据图中的溶解度数据进行分析,写出由Na2Cr2O7生产K2Cr2O7的化学方程式: 。(1分)
制法二:以K2CrO4为原料利用离子交换膜电解技术能间接制备K2Cr2O7,其原理如图所示。
(6)阴极的电极反应式为 。电解过程中,K+的移动方向是 (填“从右向左”或“从左向右”)。当阳极液中K和Cr的物质的量之比为a时,K2CrO4的转化率为 。(共3分)
答案:(1)SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑
(2)铁 (3)8.37
(4)使2Cr+2H+Cr2+H2O平衡正向移动,将Na2CrO4转化为Na2Cr2O7
(5)Na2Cr2O7+2KClK2Cr2O7↓+2NaCl
(6)2H2O+2e-H2↑+2OH- 从右向左
(2-a)×100%
解析:铬铁矿主要成分是FeCr2O4,含Al、Si氧化物等杂质。铬铁矿和纯碱在氧气中焙烧,发生反应4FeCr2O4+8Na2CO3+7O22Fe2O3+8Na2CrO4+8CO2,Al、Si的氧化物和碳酸钠反应生成四羟基合铝酸钠、硅酸钠;烧渣加水浸取,过滤,滤液中含有Na2CrO4、Na[Al(OH)4]、Na2SiO3,滤渣是Fe2O3;滤液加硫酸“中和”,生成硅酸沉淀和氢氧化铝沉淀,过滤出沉淀,滤液中的溶质为Na2CrO4、硫酸钠,加硫酸酸化,Na2CrO4转化为Na2Cr2O7,蒸发浓缩,趁热过滤析出硫酸钠,冷却结晶析出Na2Cr2O7·2H2O。(1)二氧化硅与纯碱反应生成硅酸钠和二氧化碳,反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑。(2)Fe2O3难溶于水,浸取工序中滤渣是Fe2O3,除去的金属元素是铁元素。(3)Al(OH)3+OH-[Al(OH)4]- K==100.63,当铝元素恰好沉淀完全时,c(OH-)==mol·L-1=10-5.63mol·L-1,c(H+)=mol·L-1=10-8.37mol·L-1,溶液的pH为8.37。(4)Na2CrO4溶液中存在平衡:2Cr+2H+Cr2+H2O,加硫酸酸化,氢离子浓度增大,2Cr+2H+Cr2+H2O平衡正向移动,Na2CrO4转化为Na2Cr2O7。(5)由题图可知,Na2Cr2O7的溶解度大于K2Cr2O7,向Na2Cr2O7·2H2O结晶后的母液中加入适量KCl,生成K2Cr2O7固体。Na2Cr2O7生产K2Cr2O7的化学方程式为Na2Cr2O7+2KClK2Cr2O7↓+2NaCl。(6)惰性电极连接电源正极,惰性电极是阳极,不锈钢电极连接电源负极,不锈钢电极是阴极。阴极上水电离出的氢离子得电子生成氢气,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。电解过程中,阳离子向阴极移动,K+的移动方向是从右向左。阳极区2K2CrO4→K2Cr2O7,2 mol K2CrO4转化为K2Cr2O7时,有2 mol K+移向阴极,即阳极区减少2 mol K+,设原溶液中K2CrO4的物质的量为x mol,有y mol K2CrO4转化为K2Cr2O7,当阳极液中K和Cr的物质的量之比为a时,=a,K2CrO4的转化率为×100%=(2-a)×100%。
6.(10分)(2026·重庆高二质检)红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)可用于制备制革产业中的铬鞣剂。对含铬污泥进行酸浸处理后,得到浸出液(主要含Na+、Ni2+、Cr3+、H+、Cr2和S),经过如下主要流程,可制得红矾钠,实现铬资源的有效循环利用。
已知:ⅰ.Cr(Ⅵ)溶液中存在以下平衡:Cr2+H2O2+2H+;
ⅱ.相关金属离子形成氢氧化物沉淀时的pH如下:
金属离子
开始沉淀时的pH
沉淀完全时的pH
Cr3+
4.3
5.6
Ni2+
7.1
9.2
(1)Ⅱ中,加入NaOH调节pH至5.6~7.1的目的是 。(1分)
(2)Ⅲ中,H2O2氧化Cr(OH)3沉淀的化学方程式为 。(2分)
(3)Ⅲ中,在投料比、反应时间均相同时,若温度过高,Na2CrO4的产率反而降低,可能的原因是 。(1分)
(4)Ⅳ中,加入H2SO4的作用是
(结合平衡移动原理解释)。(2分)
(5)为了测定制得的红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)的纯度,称取上述流程中的产品a g配成100 mL溶液,取出25 mL放于锥形瓶中,加入稀硫酸和足量的KI溶液,置于暗处充分反应至Cr2全部转化为Cr3+后,滴入2~3滴淀粉溶液,最后用浓度为c mol·L-1的Na2S2O3标准溶液滴定,共消耗V mL。(已知:I2+2S22I-+S4)
①滴定终点的现象为 。(2分)
②所得Na2Cr2O7·2H2O(摩尔质量为298 g·mol-1)的纯度的表达式为 (用质量分数表示)。(2分)
答案:(1)生成Cr(OH)3沉淀,实现Cr3+与Ni2+的分离
(2)2Cr(OH)3+3H2O2+4NaOH2Na2CrO4+8H2O
(3)温度过高导致H2O2分解
(4)加入H2SO4,增大氢离子浓度,使Cr2+H2O2Cr+2H+平衡逆向移动,生成Cr2
(5)①滴入最后半滴Na2S2O3标准溶液,锥形瓶内溶液由蓝色恰好变为无色,且半分钟内不恢复蓝色 ②×100%
解析:含铬污泥进行酸浸处理后得到的浸出液主要含Na+、Ni2+、Cr3+、H+、Cr2和S。浸出液加亚硫酸氢钠把Cr2还原为Cr3+,加氢氧化钠使Cr3+转化为Cr(OH)3沉淀,在碱性条件下用双氧水把Cr(OH)3氧化为Na2CrO4,加硫酸酸化,使Na2CrO4转化为Na2Cr2O7,蒸发浓缩、趁热过滤、冷却结晶得Na2Cr2O7·2H2O。(1)根据相关金属离子形成氢氧化物沉淀时的pH可知,pH在5.6~7.1之间,Cr元素完全转化为Cr(OH)3沉淀,Ni2+不生成氢氧化物沉淀,Ⅱ中加入NaOH调节pH至5.6~7.1的目的是生成Cr(OH)3沉淀,实现Cr3+与Ni2+的分离。(2)Ⅲ中在碱性条件下用H2O2把Cr(OH)3氧化为Na2CrO4,化学方程式为2Cr(OH)3+3H2O2+4NaOH2Na2CrO4+8H2O。(3)H2O2加热易分解放出氧气,所以Ⅲ中若温度过高,H2O2分解,Na2CrO4的产率降低。(4)含Cr(Ⅵ)溶液中存在以下平衡:Cr2+H2O2Cr+2H+。Ⅳ中加入H2SO4,氢离子浓度增大,Cr2+H2O2Cr+2H+平衡逆向移动,生成Cr2。(5)①I2完全被Na2S2O3还原为I-时达到滴定终点,滴定终点的现象为滴入最后半滴Na2S2O3标准溶液,溶液由蓝色恰好变为无色,且半分钟内不恢复蓝色。②根据反应过程得反应关系式:Cr2~3I2~6Na2S2O3,n(Cr2)=n(Na2S2O3)=cV×10-3mol,所得Na2Cr2O7·2H2O的纯度为×100%=×100% 。
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