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　4.化工流程中化学方程式的书写及有关计算
(一)化工流程中化学方程式的书写
1．书写思路
首先根据题给材料中的信息写出部分反应物和生成物的化学式，再根据反应前后元素化合价有无变化判断反应类型：
(1)元素化合价无变化则为非氧化还原反应，遵循质量守恒定律；
(2)元素化合价有变化则为氧化还原反应，既遵循质量守恒定律，又遵循得失电子守恒规律。
2．流程中陌生的氧化还原反应的书写流程
(1)首先根据题给材料中的信息确定氧化剂(或还原剂)与还原产物(或氧化产物)，结合已学知识根据加入的还原剂(或氧化剂)判断氧化产物(或还原产物)。
(2)根据得失电子守恒配平氧化还原反应。
(3)根据电荷守恒和反应物的酸碱性，在方程式左边或右边补充H＋、OH－或H2O等。
(4)根据质量守恒配平反应方程式。
(二)化工流程中的有关计算
1．Ksp计算
(1)判断能否沉淀。
(2)判断能否沉淀完全。
(3)计算某一离子的浓度。
(4)沉淀生成和沉淀完全时pH的计算。
2．产率、纯度的计算
(1)计算公式
纯度＝×100%
产物的产率＝×100%
(2)计算的关键在于运用守恒或关系式法结合实验原理找到计算的关系，确定数量关系。
对点训练
1．工业上以黄铜矿(主要含 CuFeS2，还含FeS等)为原料可以制备Cu，流程如下：
(1)写出“浸取”时 CuFeS2和FeCl3溶液反应的离子方程式：_____________________
________________________________________________________________________。
(2)“稀释”时反应的化学方程式为____________________________________________
________________________________________________________________________。
2．工业上使用催化剂时常需要载体，纳米氧化锌可作为一些催化剂的载体。工业上由软锰矿(主要成分为MnO2)与锌精矿(主要成分为ZnS)酸性共融法制备MnO2及纳米ZnO的工艺流程如图。回答下列问题：
(1)写出酸浸时ZnS与MnO2发生的主要反应的化学方程式：______________________
________________________________________________________________________(无单质硫生成)。
(2)Na2S2O8是一种强氧化剂，能与Mn2＋反应生成SO和紫色MnO。用Na2S2O8检验水相中的Mn2＋时发生反应的离子方程式为___________________________________________
________________________________________________________________________。
3．将等体积的4×10－3 mol·L－1的AgNO3溶液和4×10－3mol·L－1 K2CrO4溶液混合，有无Ag2CrO4沉淀产生？[已知：Ksp (Ag2CrO4)＝1.12×10－12]
________________________________________________________________________
1．(2022·广东，18)稀土(RE)包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：
已知：月桂酸(C11H23COOH)的熔点为44 ℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持＋3价不变；(C11H23COO)2Mg的Ksp＝1.8×10－8，Al(OH)3开始溶解时的pH为8.8；有关金属离子沉淀的相关pH见下表。
离子 Mg2＋ Fe3＋ Al3＋ RE3＋
开始沉淀时的pH 8.8 1.5 3.6 6.2～7.4
沉淀完全时的pH / 3.2 4.7 /
(1)“氧化调pH”中，化合价有变化的金属离子是__________。
(2)“过滤1”前，用NaOH溶液调pH至__________的范围内，该过程中Al3＋发生反应的离子方程式为________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)“过滤2”后，滤饼中检测不到Mg元素，滤液2中Mg2＋浓度为2.7 g·L－1。为尽可能多地提取RE3＋，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO－)低于__________ mol·L－1(保留两位有效数字)。
(4)①“加热搅拌”有利于加快RE3＋溶出、提高产率，其原因是___________________
________________________________________________________________________。
②“操作X”的过程为先____________，再固液分离。
(5)该工艺中，可再生循环利用的物质有__________(写化学式)。
(6)稀土元素钇(Y)可用于制备高活性的合金类催化剂Pt3Y。
①还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1 mol Pt3Y转移__________ mol电子。
②Pt3Y/C用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化O2的还原，发生的电极反应为__________________。
2．[2021·河北，15(1)(2)(3)(6)(7)]绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要作用。某科研团队设计了一种熔盐液相氧化法制备高价铬盐的新工艺，该工艺不消耗除铬铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现了Cr—Fe—Al—Mg的深度利用和Na＋内循环。工艺流程如图：
回答下列问题：
(1)高温连续氧化工序中被氧化的元素是________(填元素符号)。
(2)工序①的名称为________。
(3)滤渣Ⅰ的主要成分是_____________________________________________(填化学式)。
(6)热解工序产生的混合气体最适宜返回工序____________(填“①”“②”“③”或“④”)参与内循环。
(7)工序④溶液中的铝元素恰好完全转化为沉淀的pH为__________(通常认为溶液中离子浓度小于10－5 mol·L－1为沉淀完全；Al(OH)3＋OH－??Al(OH)　K＝100.63；Kw＝10－14，Ksp[Al(OH)3]＝10－33)。
1．金属钒在新能源动力电池中有重要作用。含钒尖晶石是钒渣中最主要的含钒物相，其主要成分有V2O3、FeO、Fe2O3、Al2O3、SiO2。采用以下工艺流程制备V2O5。
(1)“焙烧”过程中被氧化的元素为________________________________________，
写出V2O3与Na2CO3反应的化学方程式______________________________________
________________________________________________________________________。
(2)“沉淀1”的成分是____________________________________________________。
(3)“滤液1”中铝元素所发生反应的离子方程式为
________________________________________________________________________。
(4)“沉淀2”加热分解后固体产物的用途为____________________________________
_______________________________________________________________(任写一种)。
(5)该工艺流程中可回收再循环利用的物质有
________________________________________________________________________。
答案　(1)V、Fe　Na2CO3＋V2O3＋O22NaVO3＋CO2　(2)Fe2O3　(3)AlO＋4H＋===Al3＋＋2H2O　(4)光导纤维(或制单质硅等)　(5)Na2CO3
解析　加入碳酸钠焙烧后，V2O3、Al2O3、SiO2分别生成NaVO3、NaAlO2、Na2SiO3，FeO被氧化为Fe2O3，加水进行水溶，只有Fe2O3不溶，则沉淀1为Fe2O3，加入盐酸调节pH＝2～3，将硅元素转化为硅酸，则沉淀2为硅酸，用NaOH调节pH，生成氢氧化铝和氢氧化铁沉淀，溶液中只含NaVO3，加入(NH4)2CO3 “沉钒”析出NH4VO3，煅烧NH4VO3得到V2O5。
(1)由上述分析可知，“焙烧”过程中被氧化的元素为V、Fe；焙烧时，V2O3与Na2CO3、O2反应生成NaVO3和二氧化碳，反应的化学方程式为Na2CO3＋V2O3＋O22NaVO3＋CO2。(3)“滤液1”中铝元素以AlO形式存在，加入盐酸发生反应：AlO＋4H＋===Al3＋＋2H2O。
2．Zn、Fe及其化合物在生产、生活中应用比较广泛。工业上利用锌焙砂(主要含ZnO、ZnFe2O4，还含有少量FeO和CuO等杂质)制取金属锌的工艺流程如下：
(1)若净化后的溶液中Cu2＋浓度为1×10－12mol·L－1，则净化后溶液中Zn2＋浓度为______________[已知：室温下Ksp(ZnS)＝1.6×10－24，Ksp(CuS)＝6.4×10－36]。
(2)ZnFe2O4是一种性能优良的软磁材料，工业上常利用ZnFe2(C2O4)3·6H2O隔绝空气加热分解制备，该晶体的热分解化学方程式为__________________________________________
________________________________________________________________________。
测热分解后产品中ZnFe2O4的质量分数方法如下：取a g产品用硫酸溶解后加入足量KI溶液充分反应，调溶液至弱酸性，再加入淀粉指示剂，用c mol·L－1 Na2S2O3标准溶液滴定，用去此标准溶液V mL时，刚好达到滴定终点，则此产品中ZnFe2O4的质量分数为________________________________________________________________________
(用a、c、V表示)。(已知：I2＋2S2O===2I－＋S4O)
答案　(1)0.25 mol·L－1　(2)ZnFe2(C2O4)3·6H2OZnFe2O4＋4CO↑＋2CO2↑＋6H2O　%
解析　(1)若净化后的溶液中Cu2＋浓度为1×10－12mol·L－1，c(S2－)＝＝mol·L－1＝6.4×10－24mol·L－1，则净化后溶液中c(Zn2＋)＝＝ mol·L－1＝0.25 mol·L－1。(2)由题可知关系式：ZnFe2O4～I2～2S2O，w(ZnFe2O4)＝×100%＝%。
3．磁性氧化铁是电讯器材的重要原料，以高硫铝土矿(主要含Al2O3、Fe2O3、SiO2和少量的FeS2等)提取氧化铝和磁性氧化铁的流程如图：
已知：不同温度下，NH4Fe(SO4)2和NH4Al(SO4)2的溶解度(g/100 g H2O)如表：
温度/℃ 0 20 30 40 100
NH4Fe(SO4)2 70.6 75.4 78.3 81.0 102.1
NH4Al(SO4)2 2.1 5.0 7.7 10.9 26.7
(1)写出“焙烧Ⅱ”中Fe2O3发生反应的化学方程式：____________________________
________________________________________________________________________。
(2)从滤液中获得NH4Al(SO4)2的操作是____________________。
(3)“反应Ⅲ”在隔绝空气条件下进行，参与反应的n(FeS2)∶n(Fe2O3)＝__________。
(4)为测定Al2O3产品的纯度(Al2O3的质量分数)，称量m g样品溶解于足量稀硫酸，配成100.00 mL溶液，取出20.00 mL溶液，加入c1 mol·L－1 EDTA标准溶液V1 mL，调节溶液pH并煮沸，冷却后用c2 mol·L－1 CuSO4标准溶液滴定过量的EDTA至终点，消耗CuSO4标准溶液V2 mL(已知Al3＋、Cu2＋与EDTA反应的化学计量比均为1∶1)。则制得的Al2O3的纯度为________(用代数式表示)。
主观题突破4　化工流程中化学方程式的书写及有关计算
核心精讲
对点训练　1.(1)3Fe3＋＋CuFeS2＋Cl－===CuCl＋2S＋4Fe2＋
(2)2Na[CuCl2]===Cu↓＋CuCl2＋2NaCl
解析　根据该工艺流程图中信息可知，“浸取”时是将黄铜矿与FeCl3溶液充分反应，化学方程式为3FeCl3＋CuFeS2===CuCl＋2S＋4FeCl2,2FeCl3＋FeS===3FeCl2＋S，过滤得到CuCl和S的混合物，洗涤，向洗涤后的固体中加入NaCl溶液，“溶解”时发生的反应为NaCl＋CuCl===Na[CuCl2]，过滤出S，得到滤液，向滤液中加水稀释得到Cu和CuCl2、NaCl，“稀释”时的反应为2Na[CuCl2]===Cu↓＋CuCl2＋2NaCl。
2．(1)ZnS＋4MnO2＋4H2SO4===ZnSO4＋4MnSO4＋4H2O
(2)2Mn2＋＋5S2O＋8H2O===2MnO＋10SO＋16H＋
解析　(1)根据工艺流程分析，酸浸时，ZnS、MnO2分别转化为ZnSO4、MnSO4，即S由－2价升高为＋6价，Mn由＋4价降低为＋2价，根据得失电子守恒、原子守恒，配平化学方程式为ZnS＋4MnO2＋4H2SO4===ZnSO4＋4MnSO4＋4H2O。(2)S2O与Mn2＋反应生成SO和MnO，根据得失电子守恒，S2O、Mn2＋的化学计量数之比为5∶2，再根据电荷守恒和原子守恒，配平离子方程式为2Mn2＋＋5S2O＋8H2O===2MnO＋10SO＋16H＋。
3．有
解析　等体积混合后，浓度为原来的一半。c(Ag＋)＝2×10－3mol·L－1，c(CrO)＝2×10－3mol·
L－1，Q＝c2(Ag＋)·c(CrO)＝(2×10－3 )2×2×10－3＝8×10－9＞Ksp，所以有沉淀析出。
真题演练
1．(1)Fe2＋　(2)4.7≤pH<6.2　Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓
(3)4.0×10－4
(4)①加热搅拌可加快反应速率　②冷却结晶　(5)MgSO4
(6)①15　②O2＋4e－＋2H2O===4OH－
解析　由流程可知，该类矿(含铁、铝等元素)加入酸化MgSO4溶液浸取，得到的浸取液中含有RE3＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋、Al3＋、SO等离子，经氧化调pH使Fe3＋、Al3＋形成沉淀，经过滤除去，滤液1中含有RE3＋、Mg2＋、SO等离子，加入月桂酸钠，使RE3＋形成(C11H23COO)3RE沉淀，滤液2主要含有MgSO4溶液，可循环利用，滤饼加盐酸，经加热搅拌溶解后，再冷却结晶，析出月桂酸，再固液分离得到RECl3溶液。(1)由分析可知，“氧化调pH”的目的是除去含铁、铝等元素的离子，需要将Fe2＋氧化为Fe3＋，以便后续除杂，所以化合价有变化的金属离子是Fe2＋。(2)由表中数据可知，Al3＋沉淀完全时的pH为4.7，而RE3＋开始沉淀时的pH为6.2，所以为保证Fe3＋、Al3＋沉淀完全，且RE3＋不沉淀，要用NaOH溶液调pH至4.7≤pH<6.2的范围内，该过程中Al3＋发生反应的离子方程式为Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓。(3)滤液2中Mg2＋浓度为2.7 g·L－1，即0.112 5 mol·L－1，根据Ksp[(C11H23COO)2Mg]＝c(Mg2＋)·c2(C11H23COO－)，若要加入月桂酸钠后只生成(C11H23COO)3RE，而不产生(C11H23COO)2Mg，则c(C11H23COO－)<＝mol·L－1＝4.0×10－4 mol·L－1。(4)②“操作X”的结果是分离出月桂酸，由信息可知，月桂酸(C11H23COOH)的熔点为44 ℃，故“操作X”的过程为先冷却结晶，再固液分离。(6)①YCl3中Y为＋3价，PtCl4中Pt为＋4价，而Pt3Y中金属均为0价，所以还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1 mol Pt3Y转移15 mol电子。②碱性溶液中，氢氧燃料电池正极发生还原反应，发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
2．(1)Fe、Cr　(2)溶解浸出　(3)MgO、Fe2O3
(6)②　(7)8.37
解析　(2)工序①为将氧化后的固体加水溶解浸出可溶性物质。
(6)热解工序产生的混合气体为二氧化碳和水蒸气，将混合气体通入滤渣Ⅰ中可以将氧化镁转化为碳酸氢镁溶液，则混合气体最适宜返回的工序为工序②。
(7)工序④溶液中的铝元素恰好完全转化为沉淀的反应为Al(OH)＋H＋??Al(OH)3↓＋H2O，反应的平衡常数为K1＝＝＝＝1013.37，当c[Al(OH)]为10－5 mol·L－1时，溶液中氢离子浓度为＝ mol·L－1＝10－8.37 mol·L－1，则溶液的pH为8.37。
考向预测
1．(1)V、Fe　Na2CO3＋V2O3＋O22NaVO3＋CO2
(2)Fe2O3　(3)AlO＋4H＋===Al3＋＋2H2O
(4)光导纤维(或制单质硅等)　(5)Na2CO3
解析　加入碳酸钠焙烧后，V2O3、Al2O3、SiO2分别生成NaVO3、NaAlO2、Na2SiO3，FeO被氧化为Fe2O3，加水进行水溶，只有Fe2O3不溶，则沉淀1为Fe2O3，加入盐酸调节pH＝2～3，将硅元素转化为硅酸，则沉淀2为硅酸，用NaOH调节pH，生成氢氧化铝和氢氧化铁沉淀，溶液中只含NaVO3，加入(NH4)2CO3 “沉钒”析出NH4VO3，煅烧NH4VO3得到V2O5。
(1)由上述分析可知，“焙烧”过程中被氧化的元素为V、Fe；焙烧时，V2O3与Na2CO3、O2反应生成NaVO3和二氧化碳，反应的化学方程式为Na2CO3＋V2O3＋O22NaVO3＋CO2。(3)“滤液1”中铝元素以AlO形式存在，加入盐酸发生反应：AlO＋4H＋===Al3＋＋2H2O。
2．(1)0.25 mol·L－1　(2)ZnFe2(C2O4)3·6H2OZnFe2O4＋4CO↑＋2CO2↑＋6H2O　%
解析　(1)若净化后的溶液中Cu2＋浓度为1×10－12mol·L－1，c(S2－)＝＝mol·L－1＝6.4×10－24mol·L－1，则净化后溶液中c(Zn2＋)＝＝ mol·L－1＝0.25 mol·L－1。(2)由题可知关系式：ZnFe2O4～I2～2S2O，w(ZnFe2O4)＝×100%＝%。
3．(1)Fe2O3＋4(NH4)2SO42NH4Fe(SO4)2＋6NH3↑＋3H2O　(2)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥　(3)1∶16　(4)×100%
解析　根据高硫铝土矿的成分，焙烧Ⅰ中FeS2与氧气发生反应：4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2，根据流程图，焙烧Ⅱ中氧化铁和氧化铝与硫酸铵反应，发生非氧化还原反应，根据原子守恒进行分析，其反应的化学方程式为Al2O3＋4(NH4)2SO42NH4Al(SO4)2＋6NH3↑＋3H2O、Fe2O3＋4(NH4)2SO42NH4Fe(SO4)2＋6NH3↑＋3H2O，气体Ⅱ为氨气，反应Ⅲ中发生反应：FeS2＋Fe2O3―→SO2↑＋Fe3O4，据此分析。(3)反应Ⅲ中发生反应：FeS2＋Fe2O3―→SO2↑＋Fe3O4，令FeS2物质的量为a mol，Fe2O3物质的量为b mol，根据得失电子数目守恒，a×(－2)＋2a×[4－(－1)]＝b×2×(3－)，则a∶b＝1∶16。(4)Al3＋、Cu2＋与EDTA反应的化学计量比均为1∶1，n(Al3＋)＋n(Cu2＋)＝n(EDTA)，n(Al3＋)＝n(EDTA)－n(Cu2＋)＝V1×10－3 L×c1 mol·L－1－V2×10－3 L×c2 mol·L－1，根据原子守恒，m g样品中氧化铝的纯度为×100%＝×100%。

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