三维设计高考化学一轮复习专题训练一无机化学工艺流程

三维设计高考化学一轮复习专题训练一无机化学工艺流程

专题训练（一） 无机化学工艺流程 1．某铜矿石的主要成分是 Cu2O，还含有少量的 Al2O3、Fe2O3 和 SiO2。某工厂利用此 矿石炼制精铜的工艺流程如图所示(已知：Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O)。 (1)滤液 A 中铁元素的存在形式为________________(填离子符号)，生成该离子的离子 方 程 式 为 ____________________________ ， 检 验 滤 液 A 中 存 在 该 离 子 的 试 剂 为 __________________(填试剂名称)。 (2)金属 E 与固体 F 发生的某一反应可用于焊接钢轨，该反应的化学方程式为 ________________________________，在实验室中完成此实验还需要的试剂是________。 a．KClO3 b．KCl c．Mg d．MnO2 (3) 为 使 固 体 混 合 物 D 在 空 气 中 灼 烧 完 全 分 解 ， 应 __________________________________________，直至连续两次测定的实验结果相同(或质 量相差小于 0.1 g)时为止；灼烧时必须用到的实验仪器是____________。 (4) 溶 液 G 与 固 体 混 合 物 B 反 应 的 离 子 方 程 式 为 __________________________________________________。 (5)将 Na2CO3 溶液滴入到一定量的 CuCl2 溶液中，得到氯化钠、二氧化碳和一种绿色 的不溶于水的盐(不含结晶水)，该盐受热分解产生三种氧化物，则该盐的化学式是 ____________。 解析：(1)根据 Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Cu2O＋2H＋===Cu＋Cu2＋＋H2O、2Fe3＋ ＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，且铜矿石的主要成分为 Cu2O，而 Fe2O3 是少量的，可知滤液 A 中 铁元素的存在形式为 Fe2＋。检验 Fe2＋，可以用铁氰化钾溶液(或氯水和 KSCN 溶液、双氧水 和 KSCN 溶 液 ) 。 (2)E 为 Al ， F 中 含 有 Fe2O3 ， Al 与 Fe2O3 发 生 铝 热 反 应 ： 2Al ＋ Fe2O3===== 高温 Al2O3＋2Fe，该反应可用于焊接钢轨。实验室进行铝热反应，还需要 Mg 和 KClO3。(3)灼烧固体混合物 D 需要的仪器为坩埚，为使其完全分解，应灼烧至质量不变， 因此应灼烧、冷却至室温后称重，重复多次。(4)固体混合物 B 的主要成分为 SiO2 和 Cu， 溶解 SiO2 可用 NaOH 溶液。(5)结合题中信息知绿色的不溶于水的盐为 Cu2(OH)2CO3[或 Cu(OH)2·CuCO3]。 答案：(1)Fe2＋ 2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ 铁氰化钾溶液(或氯水和 KSCN 溶液、双 氧水和 KSCN 溶液等，合理即可) (2)2Al＋Fe2O3===== 高温 Al2O3＋2Fe ac (3)灼烧，冷却至室温后称重，重复多次 坩埚 (4)SiO2＋2OH－===SiO2－ 3 ＋H2O (5)Cu2(OH)2CO3[或 Cu(OH)2·CuCO3] 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： 已知 Ksp[Fe(OH)3]＝4.0×10－38。 回答下列问题： (1) 浸 出 时 ， 为 了 提 高 浸 出 效 率 可 采 取 的 措 施 有 ( 写 两 种 ) ： _______________________________________________________________________________ ___________________。(2)氧化时，加入 KMnO4 溶液是为了除去浸出液中的 Fe2＋和 Mn2＋(溶 液中 Mn 元素全部转化为 MnO2)，请配平下列除去 Fe2＋的离子方程式： MnO － 4 ＋ Fe2 ＋ ＋ ____________=== MnO2↓ ＋ Fe(OH)3↓＋ H＋ (3)加入锌粉的目的是________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)已知 H2SO4 浸出液中，c(Fe2＋)＝5.04 mg·L－1、c(Mn2＋)＝1.65 mg·L－1。 ①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。 ②若要除尽 1 m3 上述浸出液中的 Fe2＋和 Mn2＋，需加入________g KMnO4。 解析：(1)为了提高浸出效率，可以适当增大硫酸浓度、搅拌、将固体粉碎、提高浸出 温度等。(2)Mn 元素由＋7 价降低到＋4 价，而铁元素由＋2 价升高到＋3 价，根据得失电子 守恒、原子守恒和电荷守恒配平方程式。(3)加入锌粉的目的是消耗溶液中的 H＋，调节溶液 pH，促进溶液中的 Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等生成沉淀而除去。(4)①c(Fe3＋)＝0.56×10－3g·L－1 56 g·mol－1 ＝ 1.0×10－5mol·L－1，此时溶液中 c(OH－)＝1.0×10－11 mol·L－1，c(Fe3＋)·c3(OH－)＝1.0×10－38 ＜Ksp[Fe(OH)3]，故不能生成 Fe(OH)3 沉淀。②加入 KMnO4 将 Fe2＋和 Mn2＋分别氧化为 Fe3 ＋和 MnO2，而 KMnO4 被还原为 MnO2，根据得失电子守恒可知，加入 KMnO4 的质量为 5.04×10－3 g·L－1 56 g·mol－1 ×1 000 L＋1.65×10－3 g·L－1 55 g·mol－1 ×2×1 000 L 3 ×158 g·mol－1＝7.9 g。 答案：(1)将工业级氧化锌粉碎、搅拌(其他合理答案均可) (2)1 3 7 H2O 1 3 5 (3)调节溶液 pH，除去溶液中的 Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等 (4)①不能 ②7.9 3．以黄铁矿为原料制硫酸会产生大量的废渣，合理利用废渣可以减少环境污染，变废 为宝。工业上利用废渣(含 Fe2＋、Fe3＋的硫酸盐及少量 CaO 和 MgO)制备高档颜料铁红(Fe2O3) 和回收(NH4)2SO4，具体生产流程如下： 注：铵黄铁矾的化学式为(NH4)2Fe6(SO4)4(OH)12。 (1)在废渣溶解操作时，应选用________溶解(填字母)。 A．氨水 B．氢氧化钠溶液 C．盐酸 D．硫酸 (2)物质 A 是一种氧化剂，工业上最好选用________(供选择使用的有：空气、Cl2、MnO2)， 其理由是_______________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 氧 化 过 程 中 发 生 反 应 的 离 子 方 程 式 为 ________________________________________________________________________。 (3)根据如图有关数据，你认为工业上氧化操作时应控制的条件(从温度、pH 和氧化时 间三方面说明)是： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)铵黄铁矾中可能混有的杂质有 Fe(OH)3、________。铵黄铁矾与氨水反应的化学方 程式为________________________________________________________________________。 解析：(1)该流程的目的是制备高档颜料铁红(Fe2O3)和回收(NH4)2SO4，不能引入杂质离 子，不能选用盐酸，而氨水和 NaOH 溶液能沉淀 Fe3＋和 Fe2＋，所以也不能选用。(2)空气中 的氧气在酸性条件下可将 Fe2＋氧化为 Fe3＋，空气易得，成本低，不产生污染，不引入杂质， 氧化过程离子方程式为 4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O。(3)由图知，控制温度在 80 ℃、 pH 为 1.5、氧化时间为 4 h，Fe2＋的氧化率较高。(4)废渣溶解经氧化后溶液中存在 Ca2＋、 Mg2＋、Fe3＋，加氨水后，可能生成 Mg(OH)2 沉淀、Fe(OH)3 沉淀，另外 Ca(OH)2 和 CaSO4 的溶解度较小，也可能析出。由流程图可知，铵黄铁矾与氨水反应得到(NH4)2SO4 和 Fe(OH)3。 答案：(1)D (2)空气 原料易得，成本低，不产生污染，不引入杂质 4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋ 2H2O (3)溶液温度控制在 80 ℃，pH 控制在 1.5，氧化时间为 4 h 左右 (4)Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaSO4 (NH4)2Fe6(SO4)4(OH)12＋6NH3·H2O===4(NH4)2SO4＋ 6Fe(OH)3↓ 4．(2017·沈阳模拟)“分子筛”是一种具有多孔结构的铝硅酸盐(NaAlSiO4·nH2O)，其 中有许多笼状孔穴和通道能让直径比孔穴小的分子通过而将大的分子留在外面，故此得名。 利用铝灰(主要成分为 Al、Al2O3、AlN、FeO 等)制备“分子筛”的一种工艺如下： (1)分子筛的孔道直径为 4A 称为 4A 型分子筛；当 Na＋被 Ca2＋取代时就制得 5A 型分子 筛，当 Na＋被 K＋取代时就制得 3A 型分子筛。要高效分离正丁烷(分子直径为 4.65A)和异丁 烷(分子直径为 5.6A)应该选用________型的分子筛。 (2)铝灰在 90 ℃时水解的化学方程式为____________________________；“水解”采用 90 ℃而不在室温下进行的原因是__________________________________________。 (3)“ 酸 溶 ” 时 ， 为 降 低 生 产 成 本 ， 应 选 择 的 酸 为 ________ ， 理 由 是 ________________________________________________________________________。 (4)“ 氧 化 ” 时 ， 发 生 的 主 要 反 应 的 离 子 方 程 式 为 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)该工艺中滤渣的成分是________。 (6)“胶体”调节 pH 后过滤所得“晶体”需洗涤，如何证明该晶体已经洗涤干净？ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)分离正丁烷和异丁烷，选用分子筛的型号应在 4.65A～5.6A 之间，故应选择 5A 型分子筛。(2)铝灰中的 AlN 发生水解反应生成 Al(OH)3 和 NH3，反应的化学方程式为 AlN＋3H2O===Al(OH)3＋NH3↑，加热可以促进 AlN 水解生成氨气，降低 NH3 在水中的溶 解度，促使 NH3 逸出。(3)浓缩海水除杂后电解时有氢气和氯气产生，氢气和氯气反应可以 制备盐酸，用于酸溶，从而降低生产成本。(4)酸溶后的溶液中含有 Fe2＋，漂白液中的 ClO －可将 Fe2＋氧化成 Fe3＋。(5)加入 NaOH，Al3＋转化成 AlO－ 2 ，Fe3＋转化成 Fe(OH)3，则该工 艺中滤渣的成分为 Fe(OH)3。(6)“胶体”调节 pH 后过滤所得“晶体”需洗涤，通过检验晶 体表面是否有铵根离子或氯离子可判断是否洗涤干净。 答案：(1)5A (2)AlN＋3H2O===Al(OH)3＋NH3↑ 加快 AlN 水解反应速率；降低 NH3 在水中的溶解 度，促使 NH3 逸出 (3)盐酸 电解时生成的氢气和氯气可以制备盐酸 (4)2Fe2＋＋2H＋＋ClO－===2Fe3＋＋Cl－＋H2O (5)Fe(OH)3 (6)取最后一次洗涤液少许，加入浓氢氧化钠溶液并微热，若不能产生使湿润的红色石 蕊试纸变蓝的气体，则洗涤干净，否则未洗涤干净(或取最后一次洗涤液少许，加稀硝酸酸 化，再加硝酸银溶液，若不能产生白色沉淀，则洗涤干净，否则未洗涤干净) 5．(2017·邯郸模拟)锰的用途非常广泛，在钢铁工业中，锰的用量仅次于铁，90%的锰 消耗于钢铁工业，10%的锰消耗于有色冶金、化工、电子、电池、农业等部门。以碳酸锰 矿(主要成分为 MnCO3，还含有铁、镍、 钴等碳酸盐杂质)为原料生产金属锰的工艺流程如 下： 已知 25 ℃，部分物质的溶度积常数如下： 物质 Mn(OH)2 Co(OH)2 Ni(OH)2 MnS CoS NiS Ksp 2.1×10－13 3.0×10－16 5.0×10－16 1.0×10－11 5.0×10－22 1.0×10－22 (1) 步 骤 Ⅰ 中 ， MnCO3 与 硫 酸 反 应 的 化 学 方 程 式 是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)步骤Ⅰ中需要加入稍过量的硫酸，其目的有 3 点：①使矿物中的物质充分反应；② 提供第Ⅱ步氧化时所需要的酸性环境；③________________。 (3)步骤Ⅱ中，MnO2 在酸性条件下可将 Fe2＋ 氧化为 Fe3＋，该反应的离子方程式是 __________________________；加氨水调节溶液的 pH 为 5.0～6.0，以除去 Fe3＋。 (4)步骤Ⅲ中，需要用到的玻璃仪器除玻璃棒、漏斗外，还有________；滤渣 2 的主要 成分是________。 (5)电解后的废水中还含有 Mn2＋，常用石灰乳进行一级沉降得到 Mn(OH)2 沉淀，过滤 后再向滤液中加入适量 Na2S，进行二级沉降。欲使溶液中 c(Mn2＋)≤1.0×10－5 mol·L－1，则 应保持溶液中 c(S2－)≥________ mol·L－1。 解析：向碳酸锰矿(主要成分为 MnCO3，还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质)中加入硫酸， 可以发生反应生成硫酸盐，其中具有氧化性的 MnO2 可以将 Fe2＋氧化为 Fe3＋，调节 pH 可 以将 Fe(OH)3 沉淀下来，向滤液中加入硫化铵，可以将镍离子、钴离子形成硫化物沉淀下 来，最后对得到的含有锰离子的盐电解，可以得到金属锰。(1)加稀硫酸时 MnCO3 和硫酸反 应 生 成 可 溶 性 的 MnSO4 ， 并 产 生 二 氧 化 碳 和 水 ， 反 应 的 化 学 方 程 式 为 MnCO3 ＋ H2SO4===MnSO4＋CO2↑＋H2O；(2)Mn2＋易水解，加入过量硫酸，还可以抑制 Mn2＋的水 解；(3)步骤Ⅱ中，MnO2 在酸性条件下可将 Fe2＋氧化为 Fe3＋，反应的离子方程式是 MnO2 ＋2Fe2＋＋4H＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O；(4)过滤时的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒及漏斗，故 还需烧杯；滤渣 2 的主要成分是 CoS 和 NiS；(5)MnS 的 Ksp＝c(Mn2＋)·c(S2－)＝1.0×10－11， 为了将 Mn2＋降到 1.0×10－5 mol·L－1，则 c(S2－)＝ Ksp cMn2＋ ＝1.0×10－11 1.0×10－5 ＝1.0×10－6 mol·L－1， 即硫化钠的浓度是 1.0×10－6 mol·L－1。 答案：(1)MnCO3＋H2SO4===MnSO4＋CO2↑＋H2O (2)抑制 Mn2＋的水解 (3)MnO2＋2Fe2＋＋4H＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O (4)烧杯 CoS 和 NiS (5)1×10－6 6．以某菱锰矿(含 MnCO3、SiO2、FeCO3 和少量 Al2O3 等)为原料通过以下方法可获得 碳酸锰粗产品。 已知 Ksp(MnCO3)＝2.2×10－11，Ksp[Mn(OH)2]＝1.9×10－13，Ksp[Al(OH)3]＝1.3×10－33。 (1)滤渣 1 中，含铁元素的物质主要是________(填化学式，下同)；加 NaOH 调节溶液 的 pH 约为 5，如果 pH 过大，可能导致滤渣 1 中________含量减少。 (2)滤液 2 中，＋1 价阳离子除了 H＋外还有________(填离子符号)。 (3)取“沉锰”前溶液 a mL 于锥形瓶中，加入少量 AgNO3 溶液(作催化剂)和过量的 1.5%(NH4)2S2O8 溶液，加热，Mn2＋被氧化为 MnO－ 4 ，反应一段时间后再煮沸 5 min [除去 过量的(NH4)2S2O8]，冷却至室温。选用适宜的指示剂，用 b mol·L－1 的(NH4)2Fe(SO4)2 标准 溶液滴定至终点，消耗(NH4)2Fe(SO4)2 标准溶液 V mL。 ①Mn2＋与(NH4)2S2O8 反应的还原产物为________。 ②“沉锰”前溶液中 c(Mn2＋)＝________mol·L－1。(列出表达式) (4)其他条件不变，“沉锰”过程中锰元素回收率与 NH4HCO3 初始浓度(c0)、反应时间 的关系如图所示。 ①NH4HCO3 初始浓度越大，锰元素回收率越________(填“高”或“低”)，简述原因 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②若溶液中 c(Mn2＋)＝1.0 mol·L－1，加入等体积 1.8 mol·L－1 NH4HCO3 溶液进行反应， 计算 20～40 min 内 v(Mn2＋)＝________。 解析：(1)根据工艺流程图分析，菱锰矿酸浸后，浸液中所含金属阳离子有 Mn2＋、Fe2 ＋、Al3＋；加入 MnO2，Fe2＋被氧化为 Fe3＋；加入 NaOH 调节 pH，过滤后得到的滤渣 1 中 含铁元素的物质主要为 Fe(OH)3。如果 pH 过大，则滤渣中 Al(OH)3、SiO2 会开始溶解。(2) 调 pH 时加入 NaOH、沉锰时加入 NH4HCO3，故滤液 2 中，＋1 价阳离子除了 H＋外还有 Na＋、NH＋ 4 。(3)①Mn2＋与(NH4)2S2O8 反应，Mn2＋被氧化为 MnO－ 4 ，则 S2O 2－ 8 被还原为 SO2－ 4 。 ② 根 据 滴 定 原 理 ， 由 原 子 守 恒 及 得 失 电 子 守 恒 ， 可 得 关 系 式 Mn2 ＋ ～ MnO － 4 ～ 5(NH4)2Fe(SO4)2，则 n(Mn2＋)＝1 5n[(NH4)2Fe(SO4)2]＝b mol·L－1×V×10－3 L×1 5 ＝1 5bV×10－3 mol，故 c(Mn2＋)＝ 1 5bV×10－3 mol a×10－3 L ＝bV 5a mol·L－1。(4)①根据题图，NH4HCO3 初始浓度越大， 锰元素回收率越高。②加入等体积 1.8 mol·L－1 NH4HCO3 溶液，则混合后 c(Mn2＋)＝0.50 mol·L－1，c(NH4HCO3)＝0.90 mol·L－1，20～40 min 内 Mn 的回收率由 20%变为 50%，回 收率增大 30%，故 v(Mn2＋)＝0.50 mol·L－1×30% 40－20min ＝7.5×10－3 mol·L－1·min－1。 答案：(1)Fe(OH)3 Al(OH)3、SiO2 (2)Na＋、NH＋ 4 (3)①SO2－ 4 [或“H2SO4”、“Na2SO4”、“(NH4)2SO4”] ②bV 5a (4)①高 根据 Ksp＝c(CO2－ 3 )·c(Mn2＋)，c(NH4HCO3)越大，c(CO2－ 3 )越大，c(Mn2＋)越小， 析出的 MnCO3 越多[或 c(NH4HCO3)越大，c(CO2－ 3 )越大，使平衡 MnCO3(s) CO2－ 3 (aq) ＋Mn2＋(aq)向逆反应方向移动，析出的 MnCO3 越多] ②7.5×10－3 mol·L－1·min－1