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化工流程中物质的转化与跟踪分析
1．流程图结构特点
2．流程图中物质的转化与跟踪
(1)循环物质的确定
①从流程图上看：箭头回头。
②从物质的转化上看：在流程中加入的物质，后续步骤中又会产生(在滤渣或滤液中寻找)。
(2)副产品的判断
①从流程图上看：支线产品。
②从制备的目的上判断：不是主产品。
(3)滤渣、滤液中成分的确定
要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂反应的情况：
a．反应过程中哪些物质(离子)消失了？
b．所加试剂是否过量或离子间发生化学反应，又产生了哪些新离子？要考虑这些离子间是否会发生反应。
滤渣成分的确定：
①过量的反应物；
②原料中不参与反应的物质；
③由原料转化的生成物；
④由杂质转化的沉淀物。
1．[2022·全国甲卷，26(1)(3)(4)(5)(6)]硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3，杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下：
本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表：
离子 Fe3＋ Zn2＋ Cu2＋ Fe2＋ Mg2＋
Ksp 4.0×10－38 6.7×10－17 2.2×10－20 8.0×10－16 1.8×10－11
回答下列问题：
(1)菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为________________________________________。
(3)加入物质X调溶液pH＝5，最适宜使用的X是__________(填标号)。
A．NH3·H2O B．Ca(OH)2
C．NaOH
滤渣①的主要成分是______________、____________________、____________________。
(4)向80～90 ℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO2，该步反应的离子方程式为______________________________________________________。
(5)滤液②中加入锌粉的目的是__________________________________________________。
(6)滤渣④与浓H2SO4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是____________、
__________。
答案　(1)ZnCO3ZnO＋CO2↑
(3)B　Fe(OH)3　CaSO4　SiO2
(4)3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋
(5)置换Cu2＋为Cu从而除去　(6)CaSO4　MgSO4
解析　由题干信息，菱锌矿的主要成分为ZnCO3，杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物，结合流程图分析，菱锌矿焙烧，主要发生反应：ZnCO3ZnO＋CO2↑，再加入H2SO4酸浸，得到含Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋、Cu2＋的溶液，加入物质X调节pH＝5，结合表格数据，过滤得到滤渣①为Fe(OH)3、CaSO4、SiO2，滤液①中主要含有Zn2＋、Cu2＋、Mg2＋、Ca2＋、Fe2＋，再向滤液①中加入KMnO4溶液氧化Fe2＋，过滤得到滤渣②为Fe(OH)3和MnO2，滤液②中加入锌粉，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，过滤后得到滤渣③为Cu，再向滤液③中加入HF脱钙镁，过滤得到滤渣④为CaF2、MgF2，滤液④为ZnSO4溶液，经一系列处理得到ZnSO4·7H2O，据此分析解答。(1)焙烧时，生成ZnO的反应为ZnCO3ZnO＋CO2↑。(3)NH3·H2O易分解产生NH3污染空气，且经济成本较高，故A不适宜；Ca(OH)2不会引入新的杂质，且成本较低，故B适宜；NaOH会引入杂质Na＋，且成本较高，C不适宜；当沉淀完全时(离子浓度小于10－5mol·L－1)，结合表格Ksp计算各离子完全沉淀时的pH，pH＜5的只有Fe3＋，故滤渣①中有Fe(OH)3，又因为CaSO4是微溶物，SiO2不溶于硫酸，故滤渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2。(4)向80～90 ℃的滤液①中加入KMnO4溶液，可氧化Fe2＋，得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②，反应的离子方程式为3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋。(5)滤液②中加入锌粉，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，故加入锌粉的目的为置换Cu2＋为Cu从而除去。(6)滤渣④为CaF2、MgF2，与浓硫酸反应可得到HF，同时得到的副产物为CaSO4、MgSO4。
2．(2023·河南新乡统考二模)从铜阳极泥分铜渣碱浸液中回收碲的工艺流程如图所示。
已知：①碱浸液中碲以TeO的形式存在；
②TeO2与氧化铝的性质具有一定的相似性。
(1)TeO中Te的化合价为________价，“还原”中发生反应的离子方程式(该工艺条件下，Pb2＋不沉淀)为________________________________________________________________。
(2)加适量Na2S除铜、铅，滤渣的成分为____________。
(3)加酸调pH时发生反应的化学方程式为____________，加入硫酸的量不宜过多，其原因是_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________。
答案　(1)＋6　TeO＋SO===TeO＋SO
(2)PbS、CuS
(3)Na2TeO3＋ H2SO4===TeO2↓＋Na2SO4＋H2O　过量的硫酸会和TeO2反应，导致产品产率降低
解析　铜阳极泥分铜渣碱浸液中加入亚硫酸钠，TeO与SO反应得到TeO和SO，溶液含TeO、Cu2＋、Pb2＋，加适量硫化钠沉淀Cu2＋、Pb2＋，过滤得滤渣为PbS、CuS，滤液加适量硫酸调pH，TeO与H2SO4反应生成TeO2沉淀。
3．利用软锰矿(主要成分为MnO2，含铁的化合物等杂质)和闪锌矿(主要成分为ZnS)制得硫酸锰的流程如下：
(1)MnO2、ZnS与硫酸反应转变为两种硫酸盐的化学方程式：_________________________
_____________________________________________________________________________。
(2)在强酸性条件下加入MnO2氧化Fe2＋的离子方程式：_____________________________
_____________________________________________________________________________。
答案　(1)4MnO2＋ZnS＋4H2SO4===4MnSO4＋ZnSO4＋4H2O
(2)MnO2＋2Fe2＋＋4H＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O
4．轻质碳酸钙(CaCO3)是一种重要的化工产品，广泛应用于油漆、塑料、橡胶和造纸等工业。一种以低品位石灰石(含CaCO3、MnCO3、Fe2O3及Al2O3)为原料生产高纯度轻质碳酸钙的循环工艺流程如图：
回答下列问题：
(1)气体A为____________，滤渣的主要成分是____________________________________。
(2)“沉钙”过程中发生反应的化学方程式为______________________________________。
(3)“系列操作”包含：________________________________________________________。
(4)氧化镁可以在尾液处理中循环使用，______和__________可循环使用于低品位石灰石制备轻质碳酸钙的过程中。
答案　(1)CO2　Fe(OH)3、Al(OH)3、Mn(OH)2　(2)CaCl2＋(NH4)2CO3===CaCO3↓＋2NH4Cl
(3)加热蒸发、煅烧　(4)HCl　NH3
解析　(1)低品位石灰石(含CaCO3、MnCO3、Fe2O3及Al2O3)用盐酸溶浸，CaCO3、MnCO3、Fe2O3及Al2O3分别与盐酸发生复分解反应，离子方程式分别为CaCO3＋2H＋===H2O＋CO2↑＋Ca2＋，MnCO3＋2H＋===H2O＋CO2↑＋Mn2＋，Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O，Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O，所以气体A为CO2，向粗制的氯化钙溶液中通入氨气，除去Fe3＋、Al3＋、Mn2＋，过滤得到滤渣的主要成分是Fe(OH)3、Al(OH)3、Mn(OH)2。(2)气体A为CO2，用水吸收氨气和二氧化碳生成碳酸铵，“沉钙”过程中氯化钙与碳酸铵发生复分解反应：CaCl2＋(NH4)2CO3===CaCO3↓＋2NH4Cl，得到碳酸钙沉淀和氯化铵。(3)镁的氯化物在溶液中水解生成氢氧化镁和HCl，加热时HCl挥发促进水解，气体C为氯化氢，最终生成氢氧化镁，煅烧得MgO，“系列操作”包含加热蒸发、煅烧。(4)气体C为氯化氢，溶于水为盐酸，可用于溶解低品位石灰石，氯化铵中加入氧化镁并加热，反应生成氯化镁、氨气和水，则气体B为NH3，所以HCl、NH3可循环使用于低品位石灰石制备轻质碳酸钙的过程中。
5．镉(Cd)可用于制作某些光电子组件。一种以镉废渣(含CdO及少量ZnO、CuO、MnO、FeO杂质)为原料制备镉的工艺流程如图所示：
(1)溶解时，CdO参与反应的离子方程式为__________________________________________。
(2)调pH，加入石灰乳是为了除铜，写出除铜的离子方程式：_________________________。
(3)“氧化”是为了除铁、除锰，KMnO4的还原产物是MnO2，该步骤中除铁、除锰的离子方程式为________________________________________________________________________。
(4)置换生成海绵镉的离子方程式为________________________________________________。
(5)“熔炼”时，将海绵镉(含Cd和Zn)与NaOH溶液混合反应，反应的化学方程式是______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________。
答案　(1)CdO＋2H＋===Cd2＋＋H2O
(2)Cu2＋＋Ca(OH)2＋SO===Cu(OH)2＋CaSO4
(3)3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋、3Mn2＋＋2MnO＋2H2O===5MnO2↓＋4H＋
(4)Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋
(5)Zn＋2NaOHNa2ZnO2＋H2↑
解析　工艺流程分析：
6．(2024·西安统考二模)HDS催化剂广泛用于石油炼制和化学工业生产中，通常利用加碱焙烧－水浸取法从HDS废催化剂(主要成分为MoS、NiS、V2O5、Al2O3)中提取贵重金属钒和钼，其工艺流程如图所示：
已知：Ⅰ.MoO3、V2O5、Al2O3均可与纯碱反应生成对应的钠盐，而NiO不行。
Ⅱ.高温下，NH4VO3易分解产生N2和一种含氮元素的气体。
请回答下列问题：
(1)请写出“气体”中属于最高价氧化物的电子式：________________________________。
(2)请写出“焙烧”过程中MoS及Al2O3分别与纯碱反应的化学方程式：_____________，
____________________________________________________________________________。
(3)“浸渣”的成分为______________(填化学式，下同)；“滤液2”中的成分除了Na2MoO4外，还含有____________________。
(4)“沉钒”时提钒率随初始钒浓度及氯化铵加入量的关系如图所示，则选择的初始钒浓度和NH4Cl加入量分别为________、________。
(5)“沉钒”时生成NH4VO3沉淀，请写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：_________。
答案　(1)
(2)2MoS＋2Na2CO3＋5O22Na2MoO4＋2CO2＋2SO2　Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑
(3)NiO　NaVO3、NaHCO3
(4)20 g·L－1　10 g·L－1
(5)6NH4VO33V2O3＋2N2↑＋2NH3↑＋9H2O
解析　(3)硫化物焙烧时生成氧化物和二氧化硫，由于NiO不能与碳酸钠反应，故“水浸”时以“浸渣”的形式沉淀出来，而MoO3、V2O5、Al2O3与纯碱反应生成Na2MoO4、NaVO3和NaAlO2，“沉铝”通入过量CO2生成Al(OH)3和NaHCO3，故“浸渣”的成分为NiO；“滤液2”中的成分除了Na2MoO4外，还含有NaVO3、NaHCO3。(4)由图可知选择的初始钒浓度和NH4Cl的加入量分别为20 g·L－1和10 g·L－1时，提钒率达到90%以上，且再增大量时，提钒率变化不大，故选择的初始钒浓度和NH4Cl加入量分别为20 g·L－1和10 g·L－1。(5)由信息和流程可知，NH4VO3沉淀煅烧时分解产生V2O3和两种气体，根据氧化还原反应原理可知，其中一种气体为氮气，另外一种只能是氨气。
7．(2024·北京东城区期末联考)碳酸锂是制备其他锂化合物的关键原料。一种以磷酸锂渣(主要成分Li3PO4)为原料制备碳酸锂的工艺流程如图：
已知：部分物质的溶解性表(20 ℃)
阳离子 阴离子
PO HPO H2PO
Li＋ 难溶 可溶 易溶
Ca2＋ 难溶 难溶 可溶
(1)写出浸取时Li3PO4与盐酸反应的化学方程式：__________________________________。
(2)加入盐酸的量不宜过多的原因是_______________________________________________。
(3)钙渣的主要成分是____________。
(4)磷锂分离时，需要不断加入适量NaOH溶液以维持溶液的pH基本不变。结合离子方程式解释其原因是_________________________________________________________________
____________________________________________________________________________。
(5)沉锂时，反应的离子方程式是________________________________________________
____________________________________________________________________________。
答案　(1)Li3PO4＋2HCl===LiH2PO4＋2LiCl
(2)尽量减少后续磷锂分离时NaOH的用量
(3)CaHPO4
(4)溶液中存在反应：Ca2＋＋H2PO===CaHPO4↓＋H＋，反应后溶液酸性增强，需要不断加入NaOH溶液以维持溶液的pH基本不变，避免溶液酸性增强影响磷的沉淀
(5)2Li＋＋CO===Li2CO3↓
解析　(1)磷酸锂渣加入盐酸浸取时生成Li＋、H2PO、Cl－，因此Li3PO4与盐酸反应的化学方程式为Li3PO4＋2HCl===LiH2PO4＋2LiCl。(2)在磷锂分离时还需要加入NaOH调节pH，因此浸取时加入盐酸的量不宜过多，减少后续磷锂分离时NaOH的用量。(3)根据溶解性表可知，磷锂分离时加入CaCl2溶液和NaOH溶液，生成可溶性的LiCl和难溶性的CaHPO4，钙渣的主要成分是CaHPO4。(5)沉锂时，Li＋与CO结合生成Li2CO3沉淀，反应的离子方程式是2Li＋＋CO===Li2CO3↓。化工流程中物质的转化与跟踪分析
1．流程图结构特点
2．流程图中物质的转化与跟踪
(1)循环物质的确定
①从流程图上看：箭头回头。
②从物质的转化上看：在流程中加入的物质，后续步骤中又会产生(在滤渣或滤液中寻找)。
(2)副产品的判断
①从流程图上看：支线产品。
②从制备的目的上判断：不是主产品。
(3)滤渣、滤液中成分的确定
要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂反应的情况：
a．反应过程中哪些物质(离子)消失了？
b．所加试剂是否过量或离子间发生化学反应，又产生了哪些新离子？要考虑这些离子间是否会发生反应。
滤渣成分的确定：
①过量的反应物；
②原料中不参与反应的物质；
③由原料转化的生成物；
④由杂质转化的沉淀物。
1．[2022·全国甲卷，26(1)(3)(4)(5)(6)]硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3，杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下：
本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表：
离子 Fe3＋ Zn2＋ Cu2＋ Fe2＋ Mg2＋
Ksp 4.0×10－38 6.7×10－17 2.2×10－20 8.0×10－16 1.8×10－11
回答下列问题：
(1)菱锌矿焙烧生成氧化锌的化学方程式为________________________________________。
(3)加入物质X调溶液pH＝5，最适宜使用的X是__________(填标号)。
A．NH3·H2O B．Ca(OH)2
C．NaOH
滤渣①的主要成分是______________、____________________、____________________。
(4)向80～90 ℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO2，该步反应的离子方程式为______________________________________________________。
(5)滤液②中加入锌粉的目的是__________________________________________________。
(6)滤渣④与浓H2SO4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是____________、
__________。
2．(2023·河南新乡统考二模)从铜阳极泥分铜渣碱浸液中回收碲的工艺流程如图所示。
已知：①碱浸液中碲以TeO的形式存在；
②TeO2与氧化铝的性质具有一定的相似性。
(1)TeO中Te的化合价为________价，“还原”中发生反应的离子方程式(该工艺条件下，Pb2＋不沉淀)为________________________________________________________________。
(2)加适量Na2S除铜、铅，滤渣的成分为____________。
(3)加酸调pH时发生反应的化学方程式为____________，加入硫酸的量不宜过多，其原因是_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________。
3．利用软锰矿(主要成分为MnO2，含铁的化合物等杂质)和闪锌矿(主要成分为ZnS)制得硫酸锰的流程如下：
(1)MnO2、ZnS与硫酸反应转变为两种硫酸盐的化学方程式：_________________________
_____________________________________________________________________________。
(2)在强酸性条件下加入MnO2氧化Fe2＋的离子方程式：_____________________________
_____________________________________________________________________________。
4．轻质碳酸钙(CaCO3)是一种重要的化工产品，广泛应用于油漆、塑料、橡胶和造纸等工业。一种以低品位石灰石(含CaCO3、MnCO3、Fe2O3及Al2O3)为原料生产高纯度轻质碳酸钙的循环工艺流程如图：
回答下列问题：
(1)气体A为____________，滤渣的主要成分是____________________________________。
(2)“沉钙”过程中发生反应的化学方程式为______________________________________。
(3)“系列操作”包含：________________________________________________________。
(4)氧化镁可以在尾液处理中循环使用，______和__________可循环使用于低品位石灰石制备轻质碳酸钙的过程中。
5．镉(Cd)可用于制作某些光电子组件。一种以镉废渣(含CdO及少量ZnO、CuO、MnO、FeO杂质)为原料制备镉的工艺流程如图所示：
(1)溶解时，CdO参与反应的离子方程式为__________________________________________。
(2)调pH，加入石灰乳是为了除铜，写出除铜的离子方程式：_________________________。
(3)“氧化”是为了除铁、除锰，KMnO4的还原产物是MnO2，该步骤中除铁、除锰的离子方程式为________________________________________________________________________。
(4)置换生成海绵镉的离子方程式为________________________________________________。
(5)“熔炼”时，将海绵镉(含Cd和Zn)与NaOH溶液混合反应，反应的化学方程式是______________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________。
6．(2024·西安统考二模)HDS催化剂广泛用于石油炼制和化学工业生产中，通常利用加碱焙烧－水浸取法从HDS废催化剂(主要成分为MoS、NiS、V2O5、Al2O3)中提取贵重金属钒和钼，其工艺流程如图所示：
已知：Ⅰ.MoO3、V2O5、Al2O3均可与纯碱反应生成对应的钠盐，而NiO不行。
Ⅱ.高温下，NH4VO3易分解产生N2和一种含氮元素的气体。
请回答下列问题：
(1)请写出“气体”中属于最高价氧化物的电子式：________________________________。
(2)请写出“焙烧”过程中MoS及Al2O3分别与纯碱反应的化学方程式：_____________，
____________________________________________________________________________。
(3)“浸渣”的成分为______________(填化学式，下同)；“滤液2”中的成分除了Na2MoO4外，还含有____________________。
(4)“沉钒”时提钒率随初始钒浓度及氯化铵加入量的关系如图所示，则选择的初始钒浓度和NH4Cl加入量分别为________、________。
(5)“沉钒”时生成NH4VO3沉淀，请写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：_________。
7．(2024·北京东城区期末联考)碳酸锂是制备其他锂化合物的关键原料。一种以磷酸锂渣(主要成分Li3PO4)为原料制备碳酸锂的工艺流程如图：
已知：部分物质的溶解性表(20 ℃)
阳离子 阴离子
PO HPO H2PO
Li＋ 难溶 可溶 易溶
Ca2＋ 难溶 难溶 可溶
(1)写出浸取时Li3PO4与盐酸反应的化学方程式：__________________________________。
(2)加入盐酸的量不宜过多的原因是_______________________________________________。
(3)钙渣的主要成分是____________。
(4)磷锂分离时，需要不断加入适量NaOH溶液以维持溶液的pH基本不变。结合离子方程式解释其原因是_________________________________________________________________
____________________________________________________________________________。
(5)沉锂时，反应的离子方程式是________________________________________________
____________________________________________________________________________。

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