2020年高考化学一轮复习金属及其化合物的性质和转化学案

2020年高考化学一轮复习金属及其化合物的性质和转化学案

高考热考题型攻关(四) 化学工艺流程—考查金属及其化合物 的性质和转化 化学工艺流程题是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出 来，一般具有如下环节： 原料 → 对原料的 预处理 → 核心化 学反应 → 产品的分 离提纯 → 目标 产物 它以现代工业生产为基础，与化工生产成本、产品提纯、环境保 护等相融合，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问。考查物质 的制备、检验、分离提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用， 要求考生依据流程图分析原理，紧扣信息，抓住关键、准确答题。这 类试题具有较强的实用性和综合性，是新课标全国卷命题的热考题 型。 1．(2018·全国卷Ⅰ)磷酸亚铁锂(LiFePO4)电池是新能源汽车的动 力电池之一。采用湿法冶金工艺回收废旧磷酸亚铁锂电池正极片中的 金属，其流程如下： 下列叙述错误的是( ) A．合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用 B．从“正极片”中可回收的金属元素有 Al、Fe、Li C．“沉淀”反应的金属离子为 Fe3＋ D．上述流程中可用硫酸钠代替碳酸钠 解析：合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用， LiFePO4 中含有 Li 和 Fe 元素，正极片碱溶所得滤液中含有 Al 元素， A、B 项正确；Fe2＋能被 HNO3 氧化为 Fe3＋，Fe3＋遇到碱液后沉淀， 而另一种金属离子(Li＋)遇到 Na2CO3 后沉淀，C 项正确；Li2SO4 易溶 于水，用 Na2SO4 代替 Na2CO3，不能形成含 Li 沉淀，D 项错误。 答案：D 2．(2018·全国卷Ⅱ)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。 一种以闪锌矿(ZnS，含有 SiO2 和少量 FeS、CdS、PbS 杂质)为原料 制备金属锌的流程如图所示： 相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的 pH 范 围如下： 金属离子 Fe3＋ Fe2＋ Zn2＋ Cd2＋ 开始沉淀的 pH 1.5 6.3 6.2 7.4 沉淀完全的 pH 2.8 8.3 8.2 9.4 回答下列问题： (1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为____________________ _____________________________________________________。 (2)滤渣 1 的主要成分除 SiO2 外还有________；氧化除杂工序中 ZnO 的作用是_____________________________________________， 若不通入氧气，其后果是__________________________________ _____________________________________________________。 (3)溶液中的 Cd2＋可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方 程式为____________________________________________________ ______________________________________________________。 (4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时，阴极的电极反应式为 _____________________________________________________； 沉积锌后的电解液可返回________工序继续使用。 解析：(1)闪锌矿的主要成分是 ZnS，所以高温焙烧过程中主要 反应的化学方程式为 2ZnS＋3O2===== 焙烧 2ZnO＋2SO2。 (2)闪锌矿焙烧后的主要成分变为 ZnO，还存在少量 SiO2、Fe2O3、 CdO 、 PbO ， 加 稀 H2SO4 后 ， 发 生 一 系 列 化 学 反 应 ： ZnO ＋ H2SO4===ZnSO4＋H2O、Fe2O3＋3H2SO4===Fe2(SO4)3＋3H2O、CdO ＋H2SO4===CdSO4＋H2O、PbO＋H2SO4===PbSO4＋H2O。其中 SiO2 和 PbSO4 不溶于水，以沉淀的形式沉降下来，所以滤渣 1 的主要成 分是 SiO2 和 PbSO4。氧化除杂工序中 ZnO 的作用是调节溶液的 pH 在 2.8～6.2，使 Fe3＋完全转变为 Fe(OH)3 沉淀；通入 O2 的目的是使 溶液中的 Fe2＋转化为 Fe3＋，有利于除杂，若不通入 O2，无法除去溶 液中的杂质 Fe2＋。 (3)溶液中的 Cd2＋与加入的 Zn 粉反应而被除去，反应的离子方 程式为 Zn＋Cd2＋===Zn2＋＋Cd。 (4)电解 ZnSO4 溶液制备单质 Zn 时，阴极放电的是 Zn2＋，电极 反应式是 Zn2＋＋2e－===Zn，阳极放电的是 OH－，电极反应是 4OH－ －4e－===2H2O＋O2↑。沉积锌后的溶液应该是 ZnSO4 和稀 H2SO4， 可返回到溶浸工序循环使用。 答案：(1)2ZnS＋3O2===== 焙烧 2ZnO＋2SO2 (2)PbSO4 调节溶液的 pH 无法除去杂质 Fe2＋ (3)Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋ (4)Zn2＋＋2e－===Zn 溶浸 1．认识原料预处理的方法 (1)溶解：通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等。 术语 释义 水浸 与水接触反应或溶解 浸出 固体加水(酸)溶解得到离子 酸浸 在酸溶液中反应，使可溶性金属离子进入溶液，不溶 物通过过滤除去的溶解过程 浸出率 固体溶解后，离子在溶液中的含量的多少(更多转化) (2)灼烧、焙烧、煅烧：改变结构，使一些物质能溶解，并使一 些杂质高温下氧化、分解。 2．明确常用的提纯方法 (1)水溶法：除去可溶性杂质。 (2)酸溶法：除去碱性杂质。 (3)碱溶法：除去酸性杂质。 (4)氧化剂或还原剂法：除去还原性或氧化性杂质。 (5)加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。 (6)调节溶液的 pH 法：如除去酸性溶液中的 Fe3＋等。 3．把握常用的分离方法 (1)过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或 者抽滤等方法。 (2)萃取和分液：利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提 取分离物质，如用 CCl4 或苯萃取溴水中的溴。 (3)蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如 NaCl。 (4)冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶 质或结晶水合物，如 KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O 等。 (5)蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙 醇或甘油。 (6)冷却法：利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用 冷却法分离平衡混合气体中的氨气。 1．某同学在实验室利用氢氧化钠、盐酸分离铁粉和铝粉混合物， 转化关系如下图所示，下列说法不正确的是( ) A．x 为 NaOH 溶液，y 为盐酸 B．a→b 发生的反应为：AlO－ 2 ＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓ C．按照本流程，x 和 y 调换后也能达到实验目的 D．b、c 既能与强酸又能与强碱反应 解析：根据转化关系，加入试剂 x，得到溶液和 Fe，利用 Al 能 与 NaOH 反应，Fe 不与 NaOH 反应，因此试剂 x 为 NaOH，即 a 的 主要成分是 NaAlO2，根据转化关系，试剂 y 应为盐酸，发生 AlO－ 2 ＋ H＋＋H2O===Al(OH)3↓，然后氢氧化铝受热分解成 Al2O3，最后通过 电解的方法得到金属 Al。根据上述分析，x 为 NaOH 溶液，y 为盐酸， 故 A 说法正确；a→b 的反应是 AlO－ 2 ＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓，故 B 说法正确；如果 x 和 y 互换，a 为 FeCl2 和 AlCl3，加入 NaOH，则 得到 Fe(OH)2 和 Al(OH)3，按照流程无法得到金属铝，故 C 说法错误； b 和 c 分别是 Al(OH)3 和 Al2O3，都属于两性化合物，既能与强酸反 应，又能与强碱反应，故 D 说法正确。 答案：C 2 ． 以 硫 铁 矿 ( 主 要 成 分 为 FeS2) 为 原 料 制 备 氯 化 铁 晶 体 (FeCl3·6H2O)的工艺流程如图所示，下列说法不正确的是( ) A．酸溶过程使用的酸也可以是硝酸，且过量 B．为了防止污染，焙烧过程中产生的 SO2 要回收利用 C．通入氯气的目的是氧化 Fe2＋ D．由 FeCl3·6H2O 制取无水 FeCl3 需要在氯化氢的气流中加热 解析：若用过量硝酸酸溶，会引入 NO—3 ，A 错误；SO2 是一种 污染气体，必须回收利用，B 正确；通入 Cl2 的目的是将 Fe2＋全部氧 化为 Fe3＋，C 正确；为了防止 Fe3＋水解，由 FeCl3·6H2O 制取无水 FeCl3 时需要在 HCl 的气流中加热，D 正确。 答案：A 3．(2019·西安模拟)实验室模拟工业上以铝土矿(含 Al2O3、Fe2O3、 SiO2)为原料制铵明矾 NH4Al(SO4)2 晶体的工艺流程如图所示，下列 说法错误的是( ) A．固体 a 的化学式为 SiO2 B．固体 b 的化学式为 Fe(OH)3 C．Ⅲ中通入足量 CO2 发生反应的离子方程式为 2AlO—2 ＋CO2 ＋3H2O===CO2—3 ＋2Al(OH)3↓ D．Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ都要用到的分离方法是过滤 解析：SiO2 不溶于盐酸，A 正确；红褐色固体 b 是 Fe(OH)3，B 正确；Ⅲ中通入足量 CO2 气体发生反应的离子方程式为 AlO—2 ＋CO2 ＋2H2O===HCO—3 ＋Al(OH)3↓，C 错误；Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ都要用到 的分离方法是过滤，D 正确。 答案：C 4．从某含有 FeCl2、FeCl3、CuCl2 的工业废液中回收铜并制备 氯化铁晶体的流程如下。下列说法正确的是( ) A．试剂 a 是铁、试剂 b 是稀硫酸 B．操作Ⅰ、操作Ⅱ、操作Ⅲ所用仪器相同 C．试剂 c 是氯气，相应的反应为 2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－ D．用酸性 KMnO4 溶液可检验溶液 W 中是否含有 Fe2＋ 解析：由最终要得到的氯化铁及流程图知 b 是盐酸，A 错误；操 作Ⅰ和操作Ⅱ是过滤，操作Ⅲ为蒸发结晶，所用仪器有差异，B 错误； 滤液 Z 和 X 中均含有氯化亚铁，因此 c 为氯气，C 正确；高锰酸钾 能氧化氯离子而褪色，因此不能用于检验是否含有亚铁离子，D 错误。 答案：C 5．(2018·江苏卷)以高硫铝土矿(主要成分为 Al2O3、Fe2O3、SiO2， 少量 FeS2 和金属硫酸盐)为原料，生产氧化铝并获得 Fe3O4 的部分工 艺流程如下： (1)焙烧过程均会产生 SO2，用 NaOH 溶液吸收过量 SO2 的离子 方程式为_________________________________________________ _____________________________________________________。 (2)添加 1%CaO 和不添加 CaO 的矿粉焙烧，其硫去除率随温度 变化曲线如图所示。 已知：多数金属硫酸盐的分解温度都高于 600 ℃ 硫去除率＝ 1－焙烧后矿粉中硫元素总质量 焙烧前矿粉中硫元素总质量 ×100% ①不添加 CaO 的矿粉在低于 500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要 来源于__________。 ②700 ℃焙烧时，添加 1%CaO 的矿粉硫去除率比不添加 CaO 的矿粉硫去除率低，其主要原因是_____________________________ ____________________________________________________。 (3)向“过滤”得到的滤液中通入过量 CO2，铝元素存在的形式 由________________(填化学式)转化为________(填化学式)。 (4)“过滤”得到的滤渣中含大量的 Fe2O3。Fe2O3 与 FeS2 混合后 在缺氧条件下焙烧生成 Fe3O4 和 SO2 ，理论上完全反应消耗的 n(FeS2)∶n(Fe2O3)＝______________________________________。 解析：(1)NaOH 吸收过量 SO2 的离子方程式为 SO2 ＋OH － ===HSO－ 3 。 (2)①由已知多数金属硫酸盐的分解温度都高于 600 ℃，不添加 CaO 的矿粉在低于 500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于杂质 FeS2。②700 ℃焙烧时，FeS2 中的硫元素生成 SO2，添加 CaO 后， SO2 会与 CaO、O2 反应生成 CaSO4 而留在矿粉中。 (3)用 NaOH 溶液碱浸后，Al2O3、SiO2 溶解，转化为 NaAlO2 和 Na2SiO3，通入过量 CO2 后，NaAlO2 与 CO2 反应转化为 Al(OH)3。 (4)Fe2O3 与 FeS2 在缺氧条件下焙烧生成 Fe3O4 和 SO2，发生反应 的化学方程式配平为 16Fe2O3＋FeS2===== 焙烧 11Fe3O4＋2SO2↑，可得关 系式 FeS2～16Fe2O3，则理论上完全反应消耗的 n(FeS2)∶n(Fe2O3) ＝1∶16。 答案：(1)SO2＋OH－===HSO－ 3 (2)①FeS2 ②硫元素转化为 CaSO4 而留在矿粉中 (3)NaAlO2 Al(OH)3 (4)1∶16 6．(2019·烟台模拟)某工厂酸性废液中含有 Fe3＋、Al3＋、Fe2＋、 SO2－ 4 ，以该废液为原料制备 Fe2O3 的工艺流程如下(部分操作和条件 略)： 已知：①NH4HCO3 在热水中会分解。 ②常温下，溶液中不同金属离子生成氢氧化物沉淀时的 pH 见下 表： 金属离子(0.1 mol·L－l) Fe3＋ Fe2＋ Al3＋ 开始沉淀时的 pH 2.4 7.6 3.4 完全沉淀时的 pH 3.7 9.6 4.8 回答下列问题： (1)写出“还原”步骤中反应的离子方程式：__________________ _____________________________________________________。 (2)试剂 X 可选用________(任写一种，填化学式)，“滤渣”的主 要成分是______________。 (3)加入碳酸氢铵后过滤，发现滤液仍然浑浊，可能的原因是 _______________________________________________________ ______________________________________________________， 用 90 ℃热水洗涤 FeCO3 沉淀的目的是____________________ _____________________________________________________。 (4)若在实验室中灼烧 FeCO3 应在____________(填仪器名称)中 进行，“灼烧氧化”发生的化学方程式为____________________ _____________________________________________________。 (5)若工业上灼烧氧化 174.0 吨 FeCO3 得到 117.6 吨产品，则该产 品中 Fe2O3 的纯度为__________(设产品中杂质只有 FeO，保留一位 小数)。 解析：(1)“还原”是铁粉将 Fe3＋转化为 Fe2＋，同时与废液中的 H＋反应生成 H2，反应的离子方程式为 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑和 Fe ＋2Fe3＋===3Fe2＋。 (2)试剂 X 用于调节溶液的 pH，使 Al3＋完全沉淀，选用 NH3·H2O， 不引入其他杂质，同时生成的碳碳氢铵便于除去；“滤渣”的主要成 分是过量的铁粉和生成的 Al(OH)3 沉淀。 (3)过滤的过程中若把玻璃棒靠在三层滤纸上时不小心把滤纸戳 破了，此时过滤出的滤液是混浊的；过滤时滤液液面高于滤纸的边缘 时，滤液就会不经过滤纸而直接从滤纸和漏斗之间的空隙中流过，也 会导致过滤出的滤液是混浊的；NH4HCO3 在热水中会分解，用 90 ℃ 热水洗涤 FeCO3 沉淀，目的是洗去表面吸附的离子同时促进碳酸氢 铵的分解。 (4)实验室中灼烧固体通常在坩埚中进行，灼烧时 FeCO3 与氧气 在 高 温 下 发 生 氧 化 还 原 反 应 ， 化 学 方 程 式 为 4FeCO3 ＋ O2===== 高温 2Fe2O3＋4CO2。 (5)假设 Fe2O3 物质的量为 x mol，FeO 的物质的量为 y mol，那 么满足：160x＋72y＝117.6×106、2x＋y＝174×106 116 ，解得 x＝6×105 mol，所以产物中 Fe2O3 的质量分数为6×105×160 117.6×106 ×100%＝81.6%。 答案：(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、 Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋ (2)NH3·H2O Fe 和 Al(OH)3 (3)滤纸破损(或过滤时滤液超过滤纸上缘等) 洗去表面吸附的 离子同时促进碳酸氢铵的分解 (4)坩埚 4FeCO3＋O2===== 高温 2Fe2O3＋4CO2 (5)81.6%