资源简介

专题3 化学反应原理
第四单元 溶液中的离子平衡
第6讲 离子平衡的综合应用
一、课程标准要求
1．培养从试题提供的新信息中准确地提取实质性内容，并与已有知识块整合重组为新知识块的能力。
2．培养将实际问题分解，通过运用相关知识，采用分析、综合的方法，解决简单化学问题的能力。
3．培养将分析和解决问题的过程及成果用正确的化学术语及文字、图表、模型、图形等表达并做出解释的能力。
二、在高中化学教材体系中的地位
无机化工流程图关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境它以化工流程为背景材料，将工业生产中的真实情况以信息的形式给出，涉及到元素化合物的知识，化学反应原理，化学实验技能，化学计算来解决实际生产中的一些问题。能突出对学生素质的考察。
三、思维导图
第2课时 无机化工流程的解题策略(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：如何分析无机化工流程图的结构？
[例题1]
钪及其化合物具有许多优良的性能，在宇航、电子、超导等方面有着广泛的应用。从钛白工业废酸(含钪、钛、铁、锰等离子)中提取氧化钪(Sc2O3)的一种流程如图：
回答下列问题：
(1)洗涤“油相”可除去大量的钛离子。洗涤水是用93%的硫酸、27.5%的双氧水和水按一定比例混合而成。混合的实验操作是__________________________________________。
(2)先加入氨水调节pH＝3，过滤，滤渣主要成分是____________；再向滤液中加入氨水调节pH＝6，滤液中Sc3＋的浓度为__________。(已知：25 ℃时，Ksp[Mn (OH)2]＝1.9×10－13，Ksp[Fe(OH)3]＝2.6×10－39，Ksp[Sc(OH)3]＝9.0×10－31)
(3)用草酸“沉钪”。25 ℃时pH＝2的草酸溶液中 ＝________________(保留两位有效数字)。写出“沉钪”得到草酸钪的离子方程式：__________________________。(已知：25 ℃时，Ka1(H2C2O4)＝5.9×10－2，Ka2(H2C2O4)＝6.4×10－5)
(4)草酸钪“灼烧”氧化的化学方程式为______________________________________。
(5)废酸中含钪量为15 mg·L－1，V L废酸最多可提取Sc2O3的质量为________________。
[解析]：(1)在混合不同的液体时，一般先加密度较小、易挥发的，后加密度大、难挥发的，若混合时放热，则最后加受热易分解的，因此混合的实验操作是将浓硫酸沿烧杯内壁慢慢注入水中，并用玻璃棒不断搅拌，冷却后再慢慢注入双氧水中，并不断搅拌。(3)25 ℃时pH＝2的草酸溶液中＝××＝Ka2(H2C2O4)×Ka1(H2C2O4)×＝6.4×10－5×5.9×10－2×≈3.8×10－2。“沉钪”得到草酸钪的离子方程式为2Sc3＋＋3H2C2O4===Sc2(C2O4)3↓＋6H＋。(4)草酸钪“灼烧”氧化的化学方程式为2Sc2(C2O4)3＋3O22Sc2O3＋12CO2。(5)废酸中含钪量为15 mg·L－1，则V L废酸中含钪的质量为15×10－3 g·L－1×V L＝0.015V g，所以最多可提取Sc2O3的质量为＝0.023V g。
[答案]
(1)将浓硫酸沿烧杯内壁慢慢注入水中，并用玻璃棒不断搅拌，冷却后再慢慢注入双氧水中，并不断搅拌
(2)Fe(OH)3　9.0×10－7mol·L－1
(3)3.8×10－2　2Sc3＋＋3H2C2O4===Sc2(C2O4)3↓＋6H＋
(4)2Sc2(C2O4)3＋3O22Sc2O3＋12CO2
(5)0.023V g
[归纳总结]
化学工艺流程题的分析方法：主线分析“原料→中间转化物质→目标产物”
(1)反应与物质的转化：分析每一步操作的目的及所发生的化学反应，跟踪物质转化的形式。尤其要注意原料中的杂质在流程中是如何被除去的。滤渣、滤液成分的确定：反应过程中哪些物质(离子)发生了变化？产生了哪些新离子？这些离子间是否能发生化学反应？所加试剂是否过量？
(2)循环物质的确定
(3)副产品的判断
[练习1]
高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备，工艺如图所示。回答下列问题：
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 Mn2＋ Fe2＋ Fe3＋ Al3＋ Mg2＋ Zn2＋ Ni2＋
开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9
沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9
(1)“滤渣1”含有S和________；写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式：_____________________________________________________________。
(2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是_____________________________________。
(3)“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为________～6之间。
(4)“除杂1”的目的是除去Zn2＋和Ni2＋，“滤渣3”的主要成分是_______________。
(5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2＋。若溶液酸度过高，Mg2＋沉淀不完全，原因是___________________________________________________________。
(6)写出“沉锰”的离子方程式：___________________________________。
(7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Co、Mn的化合价分别为＋2、＋3、＋4。当x＝y＝时，z＝________。
(练习1出处：2019·全国卷Ⅲ，26。考查水溶液中的离子反应与平衡在物质检测、化学反应规律研究、物质转化中的应用，体现溶液pH的调控在工农业生产和科学研究中的重要作用。)
[解析]　(1)硫化锰矿中硅元素主要以SiO2或不溶性硅酸盐形式存在，则“滤渣1”的主要成分为S和SiO2(或不溶性硅酸盐)。结合“滤渣1”中含S，可知“溶浸”时MnO2与MnS在酸性条件下发生氧化还原反应生成MnSO4和S，根据化合价升降法可配平该反应的化学方程式。(2)“溶浸”后溶液中含Fe2＋，“氧化”中加入的适量MnO2能将Fe2＋氧化为Fe3＋。(3)“调pH”除去Fe3＋和Al3＋时，结合表格中数据信息可知需控制溶液的pH在4.7～6之间。(4)“除杂1”中加入Na2S能将Zn2＋和Ni2＋分别转化为沉淀除去，故“滤渣3”的主要成分为NiS和ZnS。(5)“除杂2”中F－与Mg2＋反应生成MgF2沉淀，若溶液酸度过高，则F－与H＋结合生成弱电解质HF，导致MgF2(s)Mg2＋(aq)＋2F－(aq)平衡向右移动，Mg2＋不能完全除去。(6)“沉锰”时Mn2＋与HCO反应生成MnCO3并放出CO2，由此可写出离子方程式。(7)化合物LiNixCoyMnzO2中，当x＝y＝时，根据化合物中正负化合价代数和为0知1＋2×＋3×＋4z－2×2＝0，解得z＝。
[答案]　(1)SiO2(或不溶性硅酸盐)　MnO2＋MnS＋2H2SO4===2MnSO4＋S＋2H2O　
(2)将Fe2＋氧化为Fe3＋　(3)4.7　(4)NiS和ZnS　
(5)F－与H＋结合形成弱电解质HF，MgF2(s)Mg2＋(aq)＋2F－(aq)平衡向右移动　
(6)Mn2＋＋2HCO===MnCO3↓＋CO2↑＋H2O (7)
活动二：重难点突破
问题2：如何分析流程图中主要环节？核心反应书写、原料的预处理、常用的控制反应条件的方法、常用的提纯、分离方法有哪？
典例简析
[典型题例1]高锰酸钾生产过程中产生的废锰渣(主要成分为MnO2、KOH、MgO和Fe2O3)可用于制备MnSO4晶体，工艺流程如下：
该工艺条件下金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：
金属离子 Fe3＋ Fe2＋ Mn2＋ Mg2＋
开始沉淀pH 2.10 7.45 9.27 9.60
完全沉淀pH 3.20 8.95 10.87 11.13
回答以下问题：
(1)MnSO4中阴离子的空间构型为__________。
(2)提高“反应Ⅰ”速率可采取的措施是________(除“加热”外，任写一种)，滤渣A的主要成分为__________(填化学式)。
(3)“反应Ⅱ”中硫铁矿(FeS2)的作用为________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)“反应Ⅲ”的离子方程式为______________________________________________。
(5)“调pH”步骤中，应调节pH不低于________。
(6)取0.151 0 g MnSO4固体，溶于适量水中，加硫酸酸化，用过量NaBiO3(难溶于水)将其完全氧化为MnO，过滤，洗涤，洗涤液并入滤液后，加入0.536 0 g Na2C2O4固体，充分反应后，用0.032 0 mol·L－1KMnO4溶液滴定，用去20.00 mL，计算样品中MnSO4的质量分数__________(保留三位有效数字)。
(典型题例1出处：2021年八省联考，16，本题具有典型性，综合性较强，具备解决某类化工流程问题的特定思路与方法，能促进学生高级思维能力的培养)
[简析] (1)SO中，S原子采用sp3杂化，离子呈正四面体结构。(2)提高反应速率的措施有适当升温、适当增加酸的浓度，将废锰渣粉碎，搅拌，根据题意任选一种，滤渣A为MnO2。(3)根据反应的化学方程式：3MnO2＋2FeS2＋6H2SO4===3MnSO4＋4S＋Fe2(SO4)3＋6H2O，硫铁矿被氧化，作还原剂，将MnO2还原为Mn2＋。(4)根据题意，反应Ⅲ的离子方程式为2Fe2＋＋MnO2＋4H＋===2Fe3＋＋Mn2＋＋2H2O。(5)由表中数据可知，Fe3＋完全沉淀的pH为3.2，Mn2＋开始沉淀的pH为9.27，要使得Fe3＋完全被除去而不影响Mn2＋，pH应不低于3.2，但不高于9.27。(6)此为采用间接测定法测MnSO4的含量，根据题意，与由样品产生的MnO反应的C2O的物质的量＝总的C2O的物质的量－滴定消耗C2O的物质的量，由此计算。加入的Na2C2O4的物质的量为＝＝0.004 mol，由离子方程式2MnO＋5C2O＋16H＋===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O可知，剩余的C2O的物质的量为＝0.001 6 mol，由此得与由样品产生的MnO反应的C2O物质的量为0.004 mol－0.001 6 mol＝0.002 4 mol，即样品中MnSO4的物质的量为0.000 96 mol，其质量分数为×100%＝96.0%。
[答案]　(1)正四面体　(2)适当增加硫酸的浓度　MnO2　(3)将MnO2还原为Mn2＋　(4)2Fe2＋＋MnO2＋4H＋===2Fe3＋＋Mn2＋＋2H2O　(5)3.2　(6)96.0%
[小结]
[练习2]
软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Fe2O3、MgO、Al2O3、CaO、SiO2等杂质，工业上用软锰矿制取MnSO4·H2O的流程如下：
已知：①部分金属阳离子完全沉淀时的pH如下表
金属阳离子 Fe3＋ Al3＋ Mn2＋ Mg2＋
完全沉淀时的pH 3.2 5.2 10.4 12.4
②温度高于27 ℃时，MnSO4晶体的溶解度随温度的升高而逐渐降低。
(1)“浸出”过程中MnO2转化为Mn2＋的离子方程式为_____________________________。
(2)第1步除杂中加入H2O2的目的是________________________________________。
(3)第1步除杂中形成滤渣1的主要成分为__________(填化学式)，调pH至5～6所加的试剂，可选择________(填字母)。
a．CaO b．MgO c．Al2O3 d．氨水
(4)第2步除杂，主要是将Ca2＋、Mg2＋转化为相应氟化物沉淀除去，写出MnF2除去Mg2＋的离子方程式：____________________________________________________________，该反应的平衡常数为________。
(已知：MnF2的Ksp＝5.3×10－3；CaF2的Ksp＝1.5×10－10；MgF2的Ksp＝7.4×10－11)
(5)采用“趁热过滤”操作的原因是____________________________________________。
(6)取少量MnSO4·H2O溶于水，配成溶液，测其pH发现该溶液显酸性，原因是_______________________________________________________(用离子方程式表示)。
[解析]　(1)“浸出”过程中MnO2与SO2发生氧化还原反应，离子方程式为MnO2＋SO2===SO＋Mn2＋。
(2)第1步除杂中加入H2O2的目的是将溶液中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋，以便于形成Fe(OH)3沉淀，过滤将沉淀除去。
(3)第1步除杂时调整溶液的pH至5～6，可以使溶液中的Al3＋、Fe3＋分别形成Al(OH)3、Fe(OH)3沉淀，所以形成滤渣1的主要成分为Al(OH)3、Fe(OH)3；在调pH至5～6时，为了不引入新的杂质离子，所加的试剂应该可以与酸发生反应，可选择含有Ca2＋、Mg2＋的化合物CaO、MgO，a、b正确。
(4)第2步除杂，主要是将Ca2＋、Mg2＋转化为相应的氟化物沉淀除去，MnF2除去Mg2＋的离子方程式是MnF2＋Mg2＋Mn2＋＋MgF2；该反应的平衡常数K＝＝＝≈7.2×107。
(5)由已知②温度高于27 ℃时，MnSO4晶体的溶解度随温度的升高而逐渐降低，故采用“趁热过滤”操作可以减少MnSO4·H2O在水中的溶解，得到更多产品。
(6)MnSO4是强酸弱碱盐，Mn2＋发生水解反应。
[答案]　(1)MnO2＋SO2===SO＋Mn2＋
(2)将Fe2＋氧化为Fe3＋
(3)Al(OH)3、Fe(OH)3　ab
(4)MnF2＋Mg2＋Mn2＋＋MgF2　7.2×107
(5)减少MnSO4·H2O在水中的溶解，得到更多产品
(6)Mn2＋＋2H2OMn(OH)2＋2H＋
活动三：巩固提升
1．(2020·全国卷Ⅰ，26)钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以＋3、＋4、＋5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。
该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：
金属离子 Fe3＋ Fe2＋ Al3＋ Mn2＋
开始沉淀pH 1.9 7.0 3.0 8.1
完全沉淀pH 3.2 9.0 4.7 10.1
回答下列问题：
(1)“酸浸氧化”需要加热，其原因是________________________________________。
(2)“酸浸氧化”中，VO＋和VO2＋被氧化成VO，同时还有________离子被氧化。写出VO＋转化为VO反应的离子方程式_______________________________________。
(3)“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为V2O5· xH2O，随滤液②可除去金属离子K＋、Mg2＋、Na＋、________，以及部分的________。
(4)“沉淀转溶”中，V2O5· xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是______________。
(5)“调pH”中有沉淀产生，生成沉淀反应的化学方程式是________________________。
(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是_______________。
[简析]　(1)“酸浸氧化”过程中钒矿粉、MnO2和30% H2SO4发生反应，常温下反应速率较小，加热的目的是加快酸浸氧化反应速率。
(2)Fe3O4与稀硫酸反应：Fe3O4＋8H＋===2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O，“酸浸氧化”过程中，Fe2＋具有还原性，也能被MnO2氧化生成Fe3＋。VO＋被氧化为VO，MnO2则被还原为Mn2＋，溶液呈酸性，结合守恒规律，写出离子方程式：VO＋＋MnO2＋2H＋===VO＋Mn2＋＋H2O。
(3)由表中数据可知，Mn2＋开始沉淀的pH为8.1，Al3＋开始沉淀的pH为3.0，沉淀完全的pH为4.7，Fe3＋沉淀完全的pH为3.2。“中和沉淀”中调节pH＝3.0～3.1，钒水解并沉淀为V2O5·xH2O，此时Mn2＋不沉淀，Al3＋部分沉淀，Fe3＋几乎沉淀完全，故随滤液②除去的金属离子有K＋、Mg2＋、Na＋、Mn2＋及部分Al3＋、Fe3＋。
(4)滤饼②中含V2O5·xH2O、Fe(OH)3和少量Al(OH)3，“沉淀转溶”中，加入NaOH溶液，调节pH＞13，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解，Al(OH)3转化为NaAlO2，故滤渣③的主要成分是Fe(OH)3。
(5)滤液③中含有NaAlO2、NaVO3，“调pH”中加入HCl，调节pH＝8.5，此时NaAlO2＋HCl＋H2O===Al(OH)3↓＋NaCl。
(6)NH4VO3存在沉淀溶解平衡：NH4VO3(s) NH(aq)＋VO(aq)，“沉钒”中加入过量NH4Cl，增大c(NH)，有利于NH4VO3结晶析出(同离子效应的应用)。
[答案]　(1)加快酸浸氧化反应速率(促进氧化完全)
(2) Fe2＋　VO＋＋MnO2＋2H＋===VO＋Mn2＋＋H2O
(3) Mn2＋　Fe3＋、Al3＋
(4)Fe(OH)3
(5)NaAlO2＋HCl＋H2O===NaCl＋Al(OH)3↓
(6)利用同离子效应，促进NH4VO3尽可能析出完全
2．(2020·全国卷Ⅲ，27)某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物，还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)：
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 Ni2＋ Al3＋ Fe3＋ Fe2＋
开始沉淀时(c＝0.01 mol·L－1)的pH 7.2 3.7 2.2 7.5
沉淀完全时(c＝1.0×10－5 mol·L－1)的pH 8.7 4.7 3.2 9.0
回答下列问题：
(1)“碱浸”中NaOH的两个作用分别是____________________________。为回收金属，用稀硫酸将“滤液①”调为中性，生成沉淀。写出该反应的离子方程式_________。
(2)“滤液②”中含有的金属离子是________________。
(3)“转化”中可替代H2O2的物质是________________。若工艺流程改为先“调pH”后
“转化”，即，“滤液③”中可能含有的杂质离子为_______。
(4)利用上述表格数据，计算Ni(OH)2的Ksp＝___________________ (列出计算式)。
如果“转化”后的溶液中Ni2＋浓度为1.0 mol·L－1，则“调pH”应控制的pH范围是_______。
(5)硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化，可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH。写出该反应的离子方程式________________________________________________。
(6)将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，其意义是____________________。
[简析]　(1)因为废镍催化剂表面沾有油脂，所以“碱浸”的目的是除去油脂，同时还可以溶解催化剂中混有的铝及氧化铝杂质。滤液①中存在的金属元素有铝元素和钠元素，铝元素以AlO的形式存在，当加酸调到中性时，发生反应的离子方程式为AlO＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓。
(2)滤饼①加稀硫酸酸浸，产生的滤液中的金属离子有Ni2＋、Fe2＋、Fe3＋。
(3)过程中加入H2O2的目的是氧化Fe2＋，由于Fe2＋的还原性强，能与氧气反应，因此也可以用氧气或空气代替H2O2。如果过程中先“调pH”后“转化”，结合金属离子沉淀的有关pH数据可知，当调节pH小于7.2时，Fe2＋不能形成沉淀，加入H2O2后Fe2＋被氧化为
Fe3＋，因此滤液③中可能混有Fe3＋。
(4)根据溶度积的表达式得Ksp[Ni(OH)2]＝c(Ni2＋)·c2(OH－)＝0.01×(107.2－14)2[或10－5×(108.7－14)2]。当溶液中c(Ni2＋)＝1.0 mol·L－1时，c(OH－)＝＝mol·L－1＝
10－7.8 mol·L－1，c(H＋)＝＝ mol·L－1＝10－6.2 mol·L－1，pH＝－lg c(H＋)＝－lg 10－6.2＝6.2。所以当pH＝6.2时，Ni2＋开始产生沉淀，根据流程图可知，调pH的目的是让Fe3＋沉淀完全，所以应控制pH的范围为3.2～6.2。
(5) 2Ni2＋＋ClO－＋4OH－===2NiOOH↓＋ Cl－＋H2O
(6)分离出硫酸镍晶体后的母液中仍有Ni2＋，采用循环使用的意义是提高镍的回收率。
[答案]　(1)除去油脂，溶解铝及其氧化物　AlO＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓
(2)Ni2＋、Fe2＋、Fe3＋
(3)O2或空气　Fe3＋
(4)0.01×(107.2－14)2[或10－5×(108.7－14)2]　3.2～6.2
(5)2Ni2＋＋ClO－＋4OH－===2NiOOH↓＋ Cl－＋H2O
(6)提高镍的回收率
二、教学建议
教学中应突出对学生化工流程探究能力的培养，引导学生掌握化工流程探究的一般过程与方法，建立解决某类化工流程问题的特定思路与方法，促进学生高级思维能力的培养。
三、情境素材
以真实的化工生产过程为研究对象，借助相关资料对化工生产的原理、流程进行复原和模拟。供参考的实验活动如下：
纯碱的制备，氨氧化法制硝酸，铁、铜等金属冶炼的模拟，电解熔融盐制备金属，肥皂的制备，粮食酿酒，化妆品的制备，聚合物(如尼龙-66、酚醛树脂、胶水)的制备。
菠菜中的色素、茶叶中咖啡因等成分的提取；比色法测定补铁剂中铁的含量；啤酒中酒精含量的测定；阿司匹林的合成；抑酸剂抗酸容量的探究。
PAGE
9

展开更多......

收起↑