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题型突破2　化工生产中物质转化条件的优化与物质分离、提纯
1.(2023·全国乙卷)LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿(MnCO3,含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素)制备LiMn2O4的流程如下:
为提高溶矿速率,可采取的措施　　　　　　(举1例)。
2.(2023·天津卷)SO3的吸收率与所用硫酸的浓度、温度的关系如图所示。
据图分析,最适合的吸收条件;硫酸的浓度　　　　,温度　　　　。
3.(2022·辽宁卷)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
已知:①焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3,FeS2转变为Fe2O3;
②金属活动性:Fe>(H)>Bi>Cu;
③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下:
开始沉淀pH 完全沉淀pH
Fe2+ 6.5 8.3
Fe3+ 1.6 2.8
Mn2+ 8.1 10.1
回答下列问题:
(1)为提高焙烧效率,可采取的措施为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　。
a.进一步粉碎矿石
b.鼓入适当过量的空气
c.降低焙烧温度
(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3,反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为:①充分浸出Bi3+和Mn2+;
②　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)滤渣的主要成分为　　　　(填化学式)。
(5)生成气体A的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(6)加入金属Bi的目的是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(7)将100 kg辉铋矿进行联合焙烧,转化时消耗1.1 kg金属Bi,假设其余各步损失不计,干燥后称量BiOCl产品质量为32 kg,滴定测得产品中Bi的质量分数为78.5%。辉铋矿中Bi元素的质量分数为　　　　。
1.反应条件的优化
条件控制 目的
固体原料研磨、粉碎、喷洒等 增大反应物接触面积,增大浸取时的反应速率,提高浸取率
灼烧(煅烧、焙烧) 除去有机物;使无机物分解为金属氧化物等,便于后续浸取、溶解
浸取 水浸:分离水溶性和非水溶性的物质
酸浸:溶解金属、金属氧化物、调节pH促进某些离子的水解并转化为沉淀
碱浸:除去油污、溶解酸性氧化物、溶解铝及其化合物、调节pH等
加热 ①加快反应或溶解速率;②促进平衡向吸热反应方向移动;③除杂,除去热不稳定的杂质,如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、NH4Cl等物质;④使沸点相对较低或易升华的原料气化;⑤煮沸时促进溶液中的气体(如氧气)挥发逸出等
条件控制 目的
反应物用 量或浓度 ①酸浸时提高酸的浓度可提高矿石中某金属元素的浸取率;②增大便宜、易得的反应物的浓度,可以提高其他物质的利用率,使反应充分进行;③增大物质浓度可以加快反应速率,使平衡发生移动等
控温(常用水浴、冰浴、沙浴或油浴) ①控制反应速率(升温加快反应速率)、适宜的温度使催化剂的活性最大,防止副反应的发生;②控制化学反应进行的方向,使化学平衡移动;③升温:使溶液中的气体逸出,使易挥发物质挥发,使易分解的物质分解;煮沸:使气体逸出;促进水解,聚沉后利于过滤分离;④控制固体的溶解与结晶
pH调控 ①使某种或几种金属离子转化为氢氧化物沉淀,而目标离子不生成沉淀,以达到分离的目的(常利用题给金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH信息,选择pH范围,使杂质离子以氢氧化物沉淀出来);②“酸作用”还可以除去氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解等;③“碱作用”还可以除去油污、除去铝片表面的氧化铝、溶解铝等;④金属离子的萃取率与溶液的pH密切相关;⑤调节溶液pH常用试剂:a.调节溶液呈酸性:稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸(注意氧化性)、金属氧化物、酸性气体(二氧化硫)等。b.调节溶液呈碱性:氢氧化钠、氨水、碳酸钠、碳酸氢铵等
2.可循环利用物质的判断
(1)流程图中回头箭头的物质。
(2)生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步反应的相关物质。
①从流程需要加入的物质去找
先观察流程中需要加入的物质,再研究后面的流程中有没有生成此物质。
②从能构成可逆反应的物质去找
可逆反应的反应物不能完全转化,应该回收再利用。
③从过滤后的母液中寻找
析出晶体经过过滤后的溶液称为母液,母液是该晶体溶质的饱和溶液,应该循环再利用。
3.常考分离、提纯的操作
(1)从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法:蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤→干燥→称量。
(2)从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法:蒸发浓缩→趁热过滤(如果温度下降,杂质也会以晶体的形式析出来)→洗涤→干燥→称量。
(3)减压蒸发的原因:减压蒸发降低了蒸发温度,可以防止某物质分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)或失去结晶水(如题目要求制备结晶水合物产品)。
(4)洗涤
洗涤试剂 适用范围 目的
蒸馏 水 冷水 产物不溶于水 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为溶解而造成的损失
热水 有特殊的物质其溶解度随着温度升高而下降 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为温度变化溶解而造成的损失
有机溶剂 (酒精、 丙酮等) 固体易溶于水、难溶于有机溶剂 减少固体溶解;利用有机溶剂的挥发性除去固体表面的水分,产品易干燥
饱和溶液 对纯度要求不高的产品 减少固体溶解
酸、碱溶液 产物不溶于酸、碱 除去固体表面吸附着的可溶于酸、碱的杂质;减少固体溶解
沉淀洗涤的方法:向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次
检验沉淀是否洗涤干净的方法:取少量最后一次的洗涤液于试管中,向其中滴入某试剂,若未出现特征反应现象,则沉淀洗涤干净
(5)萃取与反萃取
①萃取:利用物质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同,将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。如用CCl4萃取溴水中的Br2。
②反萃取:用反萃取剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程,为萃取的逆过程。
(6)其他
①蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。
②减压蒸馏的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止受热分解、氧化等。
4.根据溶解度曲线判断结晶的方法
(1)溶解度受温度影响较小的(如NaCl)采取蒸发结晶的方法。
(2)溶解度受温度影响较大的采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
(3)带有结晶水的盐,一般采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
1.BiOCl为白色结晶性粉末,溶于酸,不溶于水,可用作医药、化妆品方面的增白收敛剂。某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl,工艺流程如图所示。
已知:①联合焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3;②2BiOCl+2OH-===2Cl-+H2O+Bi2O3。
为提高联合焙烧效率,可采取的措施是　　　　(任写一种),实验室中焙烧用到的主要仪器有三脚架、泥三角、酒精灯、　　　　。
2.重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示:
有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到　　　　(填字母)得到的K2Cr2O7固体产品最多。
a.80 ℃　b.60 ℃　c.40 ℃　d.10 ℃
步骤⑤的反应类型是　　　　。
3.磁选后的炼铁高钛炉渣,主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源,通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。
该工艺条件下,有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表:
金属离子 Fe3+ Al3+ Mg2+ Ca2+
开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4
沉淀完全(c=1.0× 10-5 mol·L-1)的pH 3.2 4.7 11.1 13.8
回答下列问题:
(1)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0,在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6,依次析出的金属离子是　　　　　　　　。
(2)“母液①”中Mg2+浓度为　　　　mol·L-1。
(3)“水浸渣”在160 ℃“酸溶”,最适合的酸是　　　　　。“酸溶渣”的成分是　　　　　　　　　　　　　　　、 　　　　　。
(4)“酸溶”后,将溶液适当稀释并加热,TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀,该反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)将“母液①”和“母液②”混合,吸收尾气,经处理得　　　　,循环利用。
4.研究从太阳能电池的碲化镉吸收层(主要含CdTe、CdS)中回收碲具有重要的意义。某回收工艺的流程如下:
回答下列问题:
(1)反应釜中,溶液的pH、温度(T)与生成沉淀的关系如图,图中区域分别表示铁的化合物稳定存在的区域。则制备FeOOH适宜的pH和温度分别为　　　　(填字母)。
a.2,80 ℃ b.4,90 ℃
c.5,160 ℃ d.6,25 ℃
(2)制备磁性纳米铁棒时,加入NaBH4前先通入N2的作用是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)常温下,若在含Cd2+、Te4+滤液中加入NaOH溶液调节pH为7,溶液中c(Cd2+)的最大值为　　　　(已知:Ksp[Cd(OH)2]=5.3×10-15)。
(4)从Te溶液得到“吸附Te”,利用了纳米铁棒的性质有　　　　、　　　　。
5.(1)碘化亚铜(CuI)是阳极射线管覆盖物,不溶于水和乙醇。下图是工业上由冰铜制取无水碘化亚铜的流程。
①步骤a中Cu2S被转化为Cu,同时有大气污染物A生成,相关反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
熔渣B主要成分为黑色磁性物质,其化学式为　　　　　　　　。
②步骤b中H2O2的作用是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　;
步骤c中加入过量NaI涉及的主要反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
③步骤d用乙醇洗涤的优点是　　　　　　　　　　　　　　　;
检验沉淀是否洗涤干净的方法是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)如图是Na2SO4和Na2SO4·10H2O的溶解度曲线,则由Na2SO4溶液得到Na2SO4固体的操作是　　　　→　　　　→用乙醇洗涤→干燥。用乙醇洗涤而不用水洗的原因是　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
题型突破2　化工生产中物质转化条件的优化与物质分离、提纯
1.(2023·全国乙卷)LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿(MnCO3,含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素)制备LiMn2O4的流程如下:
为提高溶矿速率,可采取的措施　　　　　　(举1例)。
答案　粉碎菱锰矿
2.(2023·天津卷)SO3的吸收率与所用硫酸的浓度、温度的关系如图所示。
据图分析,最适合的吸收条件;硫酸的浓度　　　　,温度　　　　。
答案　98.3%　60 ℃
解析　由图可知,最适合吸收三氧化硫的浓硫酸质量分数为98.3%,最适合吸收的温度为60 ℃,此时吸收率最高。
3.(2022·辽宁卷)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
已知:①焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3,FeS2转变为Fe2O3;
②金属活动性:Fe>(H)>Bi>Cu;
③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下:
开始沉淀pH 完全沉淀pH
Fe2+ 6.5 8.3
Fe3+ 1.6 2.8
Mn2+ 8.1 10.1
回答下列问题:
(1)为提高焙烧效率,可采取的措施为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
a.进一步粉碎矿石
b.鼓入适当过量的空气
c.降低焙烧温度
(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3,反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为:①充分浸出Bi3+和Mn2+;
②　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)滤渣的主要成分为　　　　(填化学式)。
(5)生成气体A的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(6)加入金属Bi的目的是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(7)将100 kg辉铋矿进行联合焙烧,转化时消耗1.1 kg金属Bi,假设其余各步损失不计,干燥后称量BiOCl产品质量为32 kg,滴定测得产品中Bi的质量分数为78.5%。辉铋矿中Bi元素的质量分数为　　　　。
答案　(1)ab
(2)2Bi2S3+9O22Bi2O3+6SO2
(3)抑制金属离子水解
(4)SiO2
(5)Mn2O3+6H++2Cl-===2Mn2++Cl2↑+3H2O
(6)将Fe3+转化为Fe2+
(7)24.02%
解析　联合焙烧:由已知信息①和第(2)问题干可知,发生转化:Bi2S3—→Bi2O3+SO2、FeS2—→Fe2O3+SO2、MnO2—→Mn2O3+MnSO4,故联合焙烧后得到Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3、MnSO4和SiO2;水浸:MnSO4进入滤液,滤渣为Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3和SiO2;酸浸:加入过量浓盐酸后,Bi2O3和Fe2O3发生转化:Bi2O3—→Bi3+、Fe2O3—→Fe3+,因Mn2O3有氧化性,会与浓盐酸发生氧化还原反应:Mn2O3+6H++2Cl-===2Mn2++Cl2↑+3H2O,气体A为Cl2,滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiO2,滤液中金属离子为Bi3+、Fe3+、Mn2+;第(4)(5)问转化:由已知信息②知,Fe的金属活动性强于Bi,且调pH=2.6时Mn2+和Fe2+进入滤液,可知加入金属Bi的目的是将Fe3+还原为Fe2+。(1)a.联合焙烧时,进一步粉碎矿石,可以增大矿石与空气的接触面积,能够提高焙烧效率,选项a符合题意;b.鼓入适当过量的空气有利于矿石充分反应,选项b符合题意;c.降低焙烧温度,反应速率减慢,不利于提高焙烧效率,选项c不符合题意。(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3,根据原子守恒可知还应生成SO2,结合得失电子守恒,反应的化学方程式为2Bi2S3+9O22Bi2O3+6SO2;(3)加入浓盐酸后,溶液中含有的离子主要为Bi3+、Fe3+、Mn2+、H+、Cl-,而酸浸后取滤液进行转化,故要防止金属离子水解生成沉淀,进入滤渣,造成制得的BiOCl产率偏低;(4)滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiO2,答案为SiO2;(5)因Mn2O3有氧化性,会与浓盐酸发生氧化还原反应:Mn2O3+6H++2Cl-===2Mn2++Cl2↑+3H2O;(6)由已知信息③知,调pH=2.6时,Fe3+会水解生成Fe(OH)3沉淀,但Fe2+还没开始沉淀,故要将Fe3+转化为Fe2+,在调pH后获得含FeCl2的滤液,为了不引入新的杂质,加入Bi作还原剂。(7)辉铋矿中Bi元素的质量分数为×100%=24.02%。
1.反应条件的优化
条件控制 目的
固体原料研磨、粉碎、喷洒等 增大反应物接触面积,增大浸取时的反应速率,提高浸取率
灼烧(煅烧、焙烧) 除去有机物;使无机物分解为金属氧化物等,便于后续浸取、溶解
浸取 水浸:分离水溶性和非水溶性的物质
酸浸:溶解金属、金属氧化物、调节pH促进某些离子的水解并转化为沉淀
碱浸:除去油污、溶解酸性氧化物、溶解铝及其化合物、调节pH等
加热 ①加快反应或溶解速率;②促进平衡向吸热反应方向移动;③除杂,除去热不稳定的杂质,如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、NH4Cl等物质;④使沸点相对较低或易升华的原料气化;⑤煮沸时促进溶液中的气体(如氧气)挥发逸出等
条件控制 目的
反应物用 量或浓度 ①酸浸时提高酸的浓度可提高矿石中某金属元素的浸取率;②增大便宜、易得的反应物的浓度,可以提高其他物质的利用率,使反应充分进行;③增大物质浓度可以加快反应速率,使平衡发生移动等
控温(常用水浴、冰浴、沙浴或油浴) ①控制反应速率(升温加快反应速率)、适宜的温度使催化剂的活性最大,防止副反应的发生;②控制化学反应进行的方向,使化学平衡移动;③升温:使溶液中的气体逸出,使易挥发物质挥发,使易分解的物质分解;煮沸:使气体逸出;促进水解,聚沉后利于过滤分离;④控制固体的溶解与结晶
pH调控 ①使某种或几种金属离子转化为氢氧化物沉淀,而目标离子不生成沉淀,以达到分离的目的(常利用题给金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH信息,选择pH范围,使杂质离子以氢氧化物沉淀出来);②“酸作用”还可以除去氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解等;③“碱作用”还可以除去油污、除去铝片表面的氧化铝、溶解铝等;④金属离子的萃取率与溶液的pH密切相关;⑤调节溶液pH常用试剂:a.调节溶液呈酸性:稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸(注意氧化性)、金属氧化物、酸性气体(二氧化硫)等。b.调节溶液呈碱性:氢氧化钠、氨水、碳酸钠、碳酸氢铵等
2.可循环利用物质的判断
(1)流程图中回头箭头的物质。
(2)生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步反应的相关物质。
①从流程需要加入的物质去找
先观察流程中需要加入的物质,再研究后面的流程中有没有生成此物质。
②从能构成可逆反应的物质去找
可逆反应的反应物不能完全转化,应该回收再利用。
③从过滤后的母液中寻找
析出晶体经过过滤后的溶液称为母液,母液是该晶体溶质的饱和溶液,应该循环再利用。
3.常考分离、提纯的操作
(1)从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法:蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤→干燥→称量。
(2)从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法:蒸发浓缩→趁热过滤(如果温度下降,杂质也会以晶体的形式析出来)→洗涤→干燥→称量。
(3)减压蒸发的原因:减压蒸发降低了蒸发温度,可以防止某物质分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)或失去结晶水(如题目要求制备结晶水合物产品)。
(4)洗涤
洗涤试剂 适用范围 目的
蒸馏 水 冷水 产物不溶于水 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为溶解而造成的损失
热水 有特殊的物质其溶解度随着温度升高而下降 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为温度变化溶解而造成的损失
有机溶剂 (酒精、 丙酮等) 固体易溶于水、难溶于有机溶剂 减少固体溶解;利用有机溶剂的挥发性除去固体表面的水分,产品易干燥
饱和溶液 对纯度要求不高的产品 减少固体溶解
酸、碱溶液 产物不溶于酸、碱 除去固体表面吸附着的可溶于酸、碱的杂质;减少固体溶解
沉淀洗涤的方法:向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次
检验沉淀是否洗涤干净的方法:取少量最后一次的洗涤液于试管中,向其中滴入某试剂,若未出现特征反应现象,则沉淀洗涤干净
(5)萃取与反萃取
①萃取:利用物质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同,将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。如用CCl4萃取溴水中的Br2。
②反萃取:用反萃取剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程,为萃取的逆过程。
(6)其他
①蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。
②减压蒸馏的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止受热分解、氧化等。
4.根据溶解度曲线判断结晶的方法
(1)溶解度受温度影响较小的(如NaCl)采取蒸发结晶的方法。
(2)溶解度受温度影响较大的采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
(3)带有结晶水的盐,一般采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
1.BiOCl为白色结晶性粉末,溶于酸,不溶于水,可用作医药、化妆品方面的增白收敛剂。某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl,工艺流程如图所示。
已知:①联合焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3;②2BiOCl+2OH-===2Cl-+H2O+Bi2O3。
为提高联合焙烧效率,可采取的措施是　　　　(任写一种),实验室中焙烧用到的主要仪器有三脚架、泥三角、酒精灯、　　　　。
答案　将矿渣进一步粉碎、鼓入适当过量的空气或焙烧过程中不断搅拌　坩埚、坩埚钳
2.重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示:
有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到　　　　(填字母)得到的K2Cr2O7固体产品最多。
a.80 ℃　b.60 ℃　c.40 ℃　d.10 ℃
步骤⑤的反应类型是　　　　。
答案　d　复分解反应
3.磁选后的炼铁高钛炉渣,主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源,通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。
该工艺条件下,有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表:
金属离子 Fe3+ Al3+ Mg2+ Ca2+
开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4
沉淀完全(c=1.0× 10-5 mol·L-1)的pH 3.2 4.7 11.1 13.8
回答下列问题:
(1)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0,在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6,依次析出的金属离子是　　　　　　　　。
(2)“母液①”中Mg2+浓度为　　　　mol·L-1。
(3)“水浸渣”在160 ℃“酸溶”,最适合的酸是　　　　　。“酸溶渣”的成分是　　　　　　　　　　　　　　　、 　　　　　。
(4)“酸溶”后,将溶液适当稀释并加热,TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀,该反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)将“母液①”和“母液②”混合,吸收尾气,经处理得　　　　,循环利用。
答案　(1)Fe3+、Al3+、Mg2+
(2)1.0×10-6
(3)硫酸　SiO2　CaSO4
(4)TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+
(5)(NH4)2SO4
解析　(1)由题表中Fe3+、Al3+、Mg2+完全沉淀时的pH分别为3.2、4.7、11.1可知,用氨水逐步调节pH至11.6的过程中,依次析出的金属离子是Fe3+、Al3+、Mg2+。(2)依据Mg2+完全沉淀时的pH=11.1,可知此时c(OH-)=10-2.9 mol·L-1,此时c(Mg2+)=10-5 mol·L-1,则Ksp[Mg(OH)2]=c(Mg2+)·c2(OH-)=10-10.8,用氨水逐步调节pH至11.6时,c(OH-)=10-2.4 mol·L-1,则c(Mg2+)==10-6 mol·L-1。(3)“水浸渣”在160 ℃“酸溶”,为了尽可能减少酸溶液的挥发而造成不必要的损失且保证TiO2可以完全溶解,故最好选择硫酸;SiO2不溶于硫酸,“焙烧”生成CaSO4固体,故“酸溶”后所得“酸溶渣”的成分为SiO2、CaSO4。(4)由题意知,TiO2+水解生成TiO2·xH2O沉淀,该反应的离子方程式为TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+。(5)母液①的主要成分为硫酸铵和氨水,母液②的主要成分为硫酸,混合后吸收尾气NH3,经处理可得到(NH4)2SO4,循环利用。
4.研究从太阳能电池的碲化镉吸收层(主要含CdTe、CdS)中回收碲具有重要的意义。某回收工艺的流程如下:
回答下列问题:
(1)反应釜中,溶液的pH、温度(T)与生成沉淀的关系如图,图中区域分别表示铁的化合物稳定存在的区域。则制备FeOOH适宜的pH和温度分别为　　　　(填字母)。
a.2,80 ℃ b.4,90 ℃
c.5,160 ℃ d.6,25 ℃
(2)制备磁性纳米铁棒时,加入NaBH4前先通入N2的作用是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)常温下,若在含Cd2+、Te4+滤液中加入NaOH溶液调节pH为7,溶液中c(Cd2+)的最大值为　　　　(已知:Ksp[Cd(OH)2]=5.3×10-15)。
(4)从Te溶液得到“吸附Te”,利用了纳米铁棒的性质有　　　　、　　　　。
答案　(1)b　(2)排出设备中的空气,防止磁性纳米铁棒和NaBH4被氧化　(3)0.53 mol·L-1
(4)吸附性　还原性
解析　(2)磁性纳米铁棒和NaBH4都容易被氧化,所以在加入NaBH4之前需通入N2排出反应容器中的空气。(3)常温下,溶液的pH=7,则c(OH-)=1.0×10-7 mol·L-1,根据Ksp[Cd(OH)2]=5.3×10-15,可计算Cd2+的浓度:c(Cd2+)== mol·L-1=0.53 mol·L-1。(4)含Te的溶液和磁性纳米铁棒作用,Te的化合价降低,被纳米铁棒还原,磁性纳米铁棒还能吸附Te,故在得到Te的过程中,磁性纳米铁棒呈现了还原性和吸附性。
5.(1)碘化亚铜(CuI)是阳极射线管覆盖物,不溶于水和乙醇。下图是工业上由冰铜制取无水碘化亚铜的流程。
①步骤a中Cu2S被转化为Cu,同时有大气污染物A生成,相关反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
熔渣B主要成分为黑色磁性物质,其化学式为　　　　　　　　。
②步骤b中H2O2的作用是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　;
步骤c中加入过量NaI涉及的主要反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
③步骤d用乙醇洗涤的优点是　　　　　　　　　　　　　　　;
检验沉淀是否洗涤干净的方法是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)如图是Na2SO4和Na2SO4·10H2O的溶解度曲线,则由Na2SO4溶液得到Na2SO4固体的操作是　　　　→　　　　→用乙醇洗涤→干燥。用乙醇洗涤而不用水洗的原因是　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)①Cu2S+O22Cu+SO2　Fe3O4　②作氧化剂,将Cu2O和Cu氧化为Cu2+　2Cu2++4I-===2CuI↓+I2　③洗去残余水分且可快速晾干　蘸取最后一次洗涤液进行焰色试验,如果火焰无黄色则已洗净(或其他合理答案)　(2)蒸发结晶　趁热过滤　防止Na2SO4固体转化为Na2SO4·10H2O,并防止Na2SO4因溶于水而损耗
解析　(1)①步骤a中Cu2S与空气中的氧气在1 200 ℃条件下反应生成Cu和二氧化硫,反应的化学方程式为Cu2S+O22Cu+SO2;由熔渣B的主要成分为黑色磁性物质可知,FeS与空气中的氧气在1 200 ℃条件下反应生成四氧化三铁和二氧化硫。②步骤b的反应为在硫酸作用下,H2O2作氧化剂,将氧化亚铜、铜氧化生成硫酸铜;步骤c的反应为硫酸铜溶液与过量的NaI溶液反应得到CuI沉淀。③步骤d用乙醇洗涤可以洗去固体表面的水,同时由于乙醇易挥发可达到快速晾干的目的;洗涤液中含有钠离子、硫酸根离子,可以用焰色试验或酸化的氯化钡溶液检验沉淀是否洗涤干净。(2)由图像溶解度曲线变化可知,Na2SO4的溶解度在温度较高时,随温度升高而降低,而Na2SO4·10H2O的溶解度随温度升高而增大,欲得到Na2SO4固体,应采取加热蒸发溶剂使Na2SO4结晶析出,并趁热过滤;因Na2SO4难溶于乙醇,所以用乙醇洗涤既能防止Na2SO4和水作用生成Na2SO4·10H2O,又能防止Na2SO4因溶于水而损耗。(共33张PPT)
第一篇　新高考题型突破
板块Ⅴ　水溶液中的离子平衡
题型突破主观题　题型突破2　化工生产中物质转化条件
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的优化与物质分离、提纯
1.(2023·全国乙卷)LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿(MnCO3,含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素)制备LiMn2O4的流程如下:
为提高溶矿速率,可采取的措施　　　　　　(举1例)。
粉碎菱锰矿
2.(2023·天津卷)SO3的吸收率与所用硫酸的浓度、温度的关系如图所示。
据图分析,最适合的吸收条件;硫酸的浓度　　　　,温度　　　　。
98.3%
60 ℃
解析　由图可知,最适合吸收三氧化硫的浓硫酸质量分数为98.3%,最适合吸收的温度为60 ℃,此时吸收率最高。
3.(2022·辽宁卷)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4,工艺流程如下:
已知:①焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3,FeS2转变为Fe2O3;
②金属活动性:Fe>(H)>Bi>Cu;
③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下:
开始沉淀pH 完全沉淀pH
Fe2+ 6.5 8.3
Fe3+ 1.6 2.8
Mn2+ 8.1 10.1
回答下列问题:
(1)为提高焙烧效率,可采取的措施为　　　　　。
a.进一步粉碎矿石 b.鼓入适当过量的空气 c.降低焙烧温度
(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3,反应的化学方程式为
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为:①充分浸出Bi3+和Mn2+;
②　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)滤渣的主要成分为　　　　(填化学式)。
ab
抑制金属离子水解
SiO2
(5)生成气体A的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(6)加入金属Bi的目的是　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(7)将100 kg辉铋矿进行联合焙烧,转化时消耗1.1 kg金属Bi,假设其余各步损失不计,干燥后称量BiOCl产品质量为32 kg,滴定测得产品中Bi的质量分数为78.5%。辉铋矿中Bi元素的质量分数为　　　　。
Mn2O3+6H++2Cl-===2Mn2++Cl2↑+3H2O
将Fe3+转化为Fe2+
24.02%
解析　联合焙烧:由已知信息①和第(2)问题干可知,发生转化:Bi2S3—→Bi2O3+SO2、FeS2—→Fe2O3+SO2、MnO2—→Mn2O3+MnSO4,故联合焙烧后得到Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3、MnSO4和SiO2;水浸:MnSO4进入滤液,滤渣为Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3和SiO2;酸浸:加入过量浓盐酸后,Bi2O3和Fe2O3发生转化:Bi2O3—→Bi3+、Fe2O3—→Fe3+,因Mn2O3有氧化性,会与浓盐酸发生氧化还原反应:Mn2O3+6H++2Cl-===2Mn2++Cl2↑+3H2O,气体A为Cl2,滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiO2,滤液中金属离子为Bi3+、Fe3+、Mn2+;第(4)(5)问转化:由已知信息②知,Fe的金属活动性强于Bi,且调pH=2.6时Mn2+和Fe2+进入滤液,可知加入金属Bi的目的是将Fe3+还原为Fe2+。
1.反应条件的优化
条件控制 目的
固体原料研磨、粉碎、喷洒等 增大反应物接触面积,增大浸取时的反应速率,提高浸取率
灼烧(煅烧、焙烧) 除去有机物;使无机物分解为金属氧化物等,便于后续浸取、溶解
浸取 水浸:分离水溶性和非水溶性的物质
酸浸:溶解金属、金属氧化物、调节pH促进某些离子的水解并转化为沉淀
碱浸:除去油污、溶解酸性氧化物、溶解铝及其化合物、调节pH等
条件控制 目的
加热 ①加快反应或溶解速率;②促进平衡向吸热反应方向移动;③除杂,除去热不稳定的杂质,如NaHCO3、Ca(HCO3)2、KMnO4、NH4Cl等物质;④使沸点相对较低或易升华的原料气化;⑤煮沸时促进溶液中的气体(如氧气)挥发逸出等
反应物用 量或浓度 ①酸浸时提高酸的浓度可提高矿石中某金属元素的浸取率;②增大便宜、易得的反应物的浓度,可以提高其他物质的利用率,使反应充分进行;③增大物质浓度可以加快反应速率,使平衡发生移动等
条件控制 目的
控温(常用水浴、冰浴、沙浴或油浴) ①控制反应速率(升温加快反应速率)、适宜的温度使催化剂的活性最大,防止副反应的发生;②控制化学反应进行的方向,使化学平衡移动;③升温:使溶液中的气体逸出,使易挥发物质挥发,使易分解的物质分解;煮沸:使气体逸出;促进水解,聚沉后利于过滤分离;④控制固体的溶解与结晶
条件控制 目的
pH调控 ①使某种或几种金属离子转化为氢氧化物沉淀,而目标离子不生成沉淀,以达到分离的目的(常利用题给金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH信息,选择pH范围,使杂质离子以氢氧化物沉淀出来);②“酸作用”还可以除去氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解等;③“碱作用”还可以除去油污、除去铝片表面的氧化铝、溶解铝等;④金属离子的萃取率与溶液的pH密切相关;⑤调节溶液pH常用试剂:a.调节溶液呈酸性:稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸(注意氧化性)、金属氧化物、酸性气体(二氧化硫)等。b.调节溶液呈碱性:氢氧化钠、氨水、碳酸钠、碳酸氢铵等
2.可循环利用物质的判断
(1)流程图中回头箭头的物质。
(2)生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步反应的相关物质。
①从流程需要加入的物质去找
先观察流程中需要加入的物质,再研究后面的流程中有没有生成此物质。
②从能构成可逆反应的物质去找
可逆反应的反应物不能完全转化,应该回收再利用。
③从过滤后的母液中寻找
析出晶体经过过滤后的溶液称为母液,母液是该晶体溶质的饱和溶液,应该循环再利用。
3.常考分离、提纯的操作
(1)从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法:__________→ __________→______→______→______→______。
(2)从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法:__________→__________ (如果温度下降,杂质也会以晶体的形式析出来)→洗涤→______→______。
(3)减压蒸发的原因:减压蒸发降低了蒸发温度,可以防止某物质分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)或失去结晶水(如题目要求制备结晶水合物产品)。
蒸发浓缩
冷却结晶
过滤
洗涤
干燥
称量
蒸发浓缩
趁热过滤
干燥
称量
(4)洗涤
洗涤试剂 适用范围 目的
蒸馏 水 冷水 产物不溶于水 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为溶解而造成的损失
热水 有特殊的物质其溶解度随着温度升高而下降 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为温度变化溶解而造成的损失
有机溶剂 (酒精、 丙酮等) 固体易溶于水、难溶于有机溶剂 减少固体溶解;利用有机溶剂的挥发性除去固体表面的水分,产品易干燥
洗涤试剂 适用范围 目的
饱和溶液 对纯度要求不高的产品 减少固体溶解
酸、碱溶液 产物不溶于酸、碱 除去固体表面吸附着的可溶于酸、碱的杂质;减少固体溶解
沉淀洗涤的方法:___________________________________________________ _____________________________________
检验沉淀是否洗涤干净的方法:___________________________________________ _____________________________________________
向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次
取少量最后一次的洗涤液于试管中,向其中滴入某试剂,若未出现特征反应现象,则沉淀洗涤干净
(5)萃取与反萃取
①萃取:利用物质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同,将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。如用CCl4萃取溴水中的Br2。
②反萃取:用反萃取剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程,为萃取的逆过程。
(6)其他
①蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。
②减压蒸馏的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止受热分解、氧化等。
4.根据溶解度曲线判断结晶的方法
(1)溶解度受温度影响较小的(如NaCl)采取__________的方法。
(2)溶解度受温度影响较大的采取____________________的方法。
(3)带有结晶水的盐,一般采取____________________的方法。
蒸发结晶
蒸发浓缩、冷却结晶
蒸发浓缩、冷却结晶
1.BiOCl为白色结晶性粉末,溶于酸,不溶于水,可用作医药、化妆品方面的增白收敛剂。某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl,工艺流程如图所示。
已知:①联合焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3;②2BiOCl+2OH-===2Cl-+H2O+Bi2O3。
为提高联合焙烧效率,可采取的措施是
___________________________________________________________________(任写一种),实验室中焙烧用到的主要仪器有三脚架、泥三角、酒精灯、　　 　 　。
将矿渣进一步粉碎、鼓入适当过量的空气或焙烧过程
中不断搅拌
坩埚、坩埚钳
2.重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示:
有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适
量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到　　　　(填字母)得到的K2Cr2O7固体产品最多。
a.80 ℃　b.60 ℃　c.40 ℃　d.10 ℃
步骤⑤的反应类型是　　 　　。
d
复分解反应
3.磁选后的炼铁高钛炉渣,主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源,通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。
该工艺条件下,有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表:
金属离子 Fe3+ Al3+ Mg2+ Ca2+
开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4
沉淀完全(c=1.0×10-5 mol·L-1)的pH 3.2 4.7 11.1 13.8
回答下列问题:
(1)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0,在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6,依次析出的金属离子是　　　　　　　　。
(2)“母液①”中Mg2+浓度为　　　　mol·L-1。
(3)“水浸渣”在160 ℃“酸溶”,最适合的酸是　　　　　。“酸溶渣”的成分是　　　　　　　　　　　　　　　、 　　　　　。
(4)“酸溶”后,将溶液适当稀释并加热,TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀,该反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)将“母液①”和“母液②”混合,吸收尾气,经处理得　 　　　,循环利用。
Fe3+、Al3+、Mg2+
1.0×10-6
硫酸
SiO2
CaSO4
(NH4)2SO4
4.研究从太阳能电池的碲化镉吸收层(主要含CdTe、CdS)中回收碲具有重要的意义。某回收工艺的流程如下:
回答下列问题:
(1)反应釜中,溶液的pH、温度(T)与生成
沉淀的关系如图,图中区域分别表示铁的化合物稳定存在的区域。则制备FeOOH适宜的pH和温度分别为　　　　(填字母)。
a.2,80 ℃ b.4,90 ℃ c.5,160 ℃ d.6,25 ℃
b
(2)制备磁性纳米铁棒时,加入NaBH4前先通入N2的作用是
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)常温下,若在含Cd2+、Te4+滤液中加入NaOH溶液调节pH为7,溶液中c(Cd2+)的最大值为　　 　　(已知:Ksp[Cd(OH)2]=5.3×10-15)。
(4)从Te溶液得到“吸附Te”,利用了纳米铁棒的性质有　　　　、　　　　。
排出设备中的空气,防止磁性纳米铁棒和NaBH4被氧化
0.53 mol·L-1
吸附性
还原性
解析　(2)磁性纳米铁棒和NaBH4都容易被氧化,所以在加入NaBH4之前需通入N2排出反应容器中的空气。(3)常温下,溶液的pH=7,则c(OH-)=1.0×10-7 mol·L-1,根据Ksp[Cd(OH)2]=5.3×10-15,可计算Cd2+的浓度:c(Cd2+)== mol·L-1=0.53 mol·L-1。(4)含Te的溶液和磁性纳米铁棒作用,Te的化合价降低,被纳米铁棒还原,磁性纳米铁棒还能吸附Te,故在得到Te的过程中,磁性纳米铁棒呈现了还原性和吸附性。
5.(1)碘化亚铜(CuI)是阳极射线管覆盖物,不溶于水和乙醇。下图是工业上由冰铜制取无水碘化亚铜的流程。
①步骤a中Cu2S被转化为Cu,同时有大气污染物A生成,相关反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
熔渣B主要成分为黑色磁性物质,其化学式为　　　　　　　　。
Fe3O4
②步骤b中H2O2的作用是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　;
步骤c中加入过量NaI涉及的主要反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
③步骤d用乙醇洗涤的优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
检验沉淀是否洗涤干净的方法是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
作氧化剂,将Cu2O和Cu氧化为Cu2+
2Cu2++4I-===2CuI↓+I2
洗去残余水分且可快速晾干
蘸取最后一次洗涤液进行焰色试验,如果
火焰无黄色则已洗净(或其他合理答案)
(2)如图是Na2SO4和Na2SO4·10H2O的溶解度曲线,则由Na2SO4溶液得到Na2SO4固体的操作是　　　　→　　　　→用乙醇洗涤→干燥。用乙醇洗涤而不用水洗的原因是　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
蒸发结晶
趁热过滤
防止Na2SO4固体转化为Na2SO4·10H2O,并防止Na2SO4因溶于水而损耗
解析　(2)由图像溶解度曲线变化可知,Na2SO4的溶解度在温度较高时,随温度升高而降低,而Na2SO4·10H2O的溶解度随温度升高而增大,欲得到Na2SO4固体,应采取加热蒸发溶剂使Na2SO4结晶析出,并趁热过滤;因Na2SO4难溶于乙醇,所以用乙醇洗涤既能防止Na2SO4和水作用生成Na2SO4·10H2O,又能防止Na2SO4因溶于水而损耗。

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