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题型突破3化工流程中化学方程式的书写及有关计算
1.(2024·安徽卷)精炼铜产生的铜阳极泥富含Cu、Ag、Au等多种元素。研究人员设计了一种从铜阳极泥中分离提取金和银的流程,如图所示。
(1)“电沉积”步骤中阴极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
“电沉积”步骤完成后,阴极区溶液中可循环利用的物质为　　　　(填化学式)。
(2)“还原”步骤中,被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为　　　　。
2.(2024·江苏卷)净化后的NdCl3溶液通过沉钕、焙烧得到Nd2O3。
(1)向NdCl3溶液中加入(NH4)2CO3溶液,Nd3+可转化为Nd(OH)CO3沉淀。该反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)将8.84 mg Nd(OH)CO3(摩尔质量为221 g·mol-1)在氮气氛围中焙烧,剩余固体质量随温度变化曲线如图所示。550~600 ℃时,所得固体产物可表示为NdaOb(CO3)c,通过以上实验数据确定该产物中n(Nd3+)∶n(C)的比值(写出计算过程)。
3.(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:
已知:Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33,Ksp[Ni(OH)2]=5.5×10-16。
回答下列问题:
(1)硫酸溶矿主要反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)加入少量MnO2的作用是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
不宜使用H2O2替代MnO2,原因是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)煅烧窑中,生成LiMn2O4反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　。
4.(2023·山东卷)盐湖卤水(主要含Na+、Mg2+、Li+、Cl-、S和硼酸根等)是锂盐的重要来源。一种以高镁卤水为原料经两段除镁制备Li2CO3的工艺流程如下:
已知:常温下,Ksp(Li2CO3)=2.2×10-2。相关化合物的溶解度与温度的关系如图所示。
回答下列问题:
(1)含硼固体中的B(OH)3在水中存在平衡:B(OH)3+H2OH++[B(OH)4]-(常温下,Ka=10-9.24);B(OH)3与NaOH溶液反应可制备硼砂Na2B4O5(OH)4·8H2O。常温下,在0.10 mol·L-1 硼砂溶液中,[B4O5(OH)4]2-水解生成等物质的量浓度的B(OH)3和[B(OH)4]-,该水解反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　,
该溶液pH=　　　　。
(2)滤渣Ⅰ的主要成分是　　　　(填化学式);精制Ⅰ后溶液中Li+的浓度为2.0 mol·L-1,则常温下精制Ⅱ过程中C浓度应控制在　　　　mol·L-1 以下。若脱硼后直接进行精制Ⅰ,除无法回收HCl外,还将增加　　　　的用量(填化学式)。
1.化学工艺流程中常考试剂的作用
类别 物质 作用
氧化剂 H2O2、HNO3、KMnO4、MnO2 空气、次氯酸等 氧化某些还原性物质,便于后续分离,如氧化Fe2+、Co2+等
还原剂 SO2、Na2SO3、I-、Fe2+、金属单质等 还原某些氧化性物质,便于后续分离,如还原Fe3+等
酸 HCl、H2SO4、HNO3等 溶解金属和金属氧化物,调节溶液pH促进水解(沉淀),H2SO4可提供S作沉淀剂
碱 NaOH、 NH3·H2O等 去油污;调节溶液pH促进水解(沉淀),NaOH可溶解氧化铝、铝、二氧化硅
碳酸盐 Na2CO3、(NH4)2CO3 调pH使某些离子沉淀,提供C使某些离子(如Cu2+[1]、Ca2+、Pb2+、Ba2+等)沉淀
碳酸 氢盐 NaHCO3、NH4HCO3 调pH使某些离子沉淀,提供HC使某些离子{如 [Al(OH)4]-[2]、 Fe3+[3]、Al3+、Fe2+[4]、Mg2+、Mn2+、Co2+等}沉淀
草酸盐 Na2C2O4 使Ba2+、Ca2+等离子沉淀
硫化物 H2S、Na2S、 (NH4)2S 使Cu2+、Cu+、Pb2+、Ag+、Sn2+等离子沉淀
氟化物 HF、CaF2 使Ba2+、Ca2+、Mg2+等离子沉淀
[1]、[2]、[3]、[4]发生的反应分别是:
[1]2Cu2++2C+H2O===Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑;
[2][Al(OH)4]-+HC===Al(OH)3↓+C+H2O;
[3]Fe3++3HC===Fe(OH)3↓+3CO2↑;
[4]Fe2++2HC===FeCO3↓+CO2↑+H2O。
2.陌生的氧化还原反应的书写
例1　以软锰矿(主要成分为MnO2,含少量铁的氧化物)制备高纯MnCO3。流程如图:
酸溶还原时,MnO2发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
例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S和紫色Mn。用Na2S2O8检验水相中的Mn2+时发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
3.流程中的计算
(1)产率、纯度计算
纯度=×100%
产物的产率=×100%
(2)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。
例3　将等体积的4×10-3 mol·L-1的AgNO3溶液和4×10-3 mol·L-1 K2CrO4溶液混合,有无Ag2CrO4沉淀产生 [已知:Ksp(Ag2CrO4)=1.12×10-12]
例4　(2024·山东临沂二模)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+2S2===2I-+S4)
1.铊广泛用于高能物理、超导材料等领域,铊冶炼厂的含铊废水中铊离子(Tl+)浓度仍较高,还含有Zn2+、Cu2+、S等离子,需要处理达标后才能排放,处理流程如图甲所示:
已知:①常温下,部分金属离子的沉淀pH范围如表所示:
离子种类 Tl3+ Cu2+ Zn2+
开始沉淀pH 1.4 5.2 5.9
完全沉淀pH 2.8 6.4 8.9
②Tl+性质与碱金属离子类似,其盐易溶于水,易被氧化为Tl3+。
回答下列问题:
(1)常温下,“中和”步骤加入石灰调节pH为9.0,则滤渣1的主要成分除了Zn(OH)2外还有　　　　(填化学式)。
(2)“氧化”步骤加入不同氧化剂时铊的去除率随氧化剂投加量的变化如图乙所示,则氧化剂及其投加量应选择　　　　;写出选用次氯酸钠作氧化剂时发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
2.(2024·山东东营一模)由软锰矿(主要成分是MnO2,还含有Fe、Mg等元素)制备高纯碳酸锰、硫酸锰的一种工艺流程如图所示。
25 ℃时,一些难溶电解质的溶度积常数如表所示。
难溶 电解质 MnCO3 MnF2 CaF2 MgF2
Ksp 1.8×10-11 4.5×10-3 1.5×10-10 7.4×10-11
一定条件下,一些金属氢氧化物沉淀时的pH如表所示。
金属氢氧化物 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Mn(OH)2
开始沉淀的pH 6.8 2.3 9.1
完全沉淀的pH 8.3 3.2 10
已知“溶浸”时,Fe不能还原MnO2,但Fe2+能还原MnO2得到Mn2+。
(1)Fe2+还原MnO2的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)实际测得“溶浸”时消耗n(MnO2)∶n(Fe)>1∶2,原因是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)“氧化”时加入适量的H2O2的目的是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)用CaCO3“调pH”虽然成本较低,但会引入Ca2+等杂质,若使用　　　　(填化学式)“调pH”可避免此问题。
3.(2024·江苏泰州二模)钛铁矿的主要成分为FeTiO3,含少量SiO2、Sc2O3等氧化物,某实验室利用钛铁矿制取ScF3的流程如图所示。
已知:①“酸浸”时FeTiO3转化为TiO2+;
[TiO(H2O2)]2+为橘黄色的稳定离子,易溶于水。
②室温下,溶液中离子沉淀完全的pH如表所示。
离子 Fe3+ Fe2+ TiO2+
沉淀完全的pH 3.2 9.0 1.05
(1)“酸溶”所得溶液中含有Sc3+、Fe3+等。若此溶液中Sc3+的浓度为0.01 mol·L-1,“氨水调pH”时应控制的pH范围是　　　　　　　　　　　　　　
{已知Ksp[Sc(OH)3]=1.25×10-33,lg2=0.3}。
(2)“沉钪”形成的复盐沉淀化学式为xNH4Cl·yScF3·zH2O,在“脱水除铵”过程中取7.47 g该复盐进行热分解,剩余固体质量与温度的关系如图所示,其中在380~400 ℃过程中会有白烟冒出,保温至无烟气产生,即得到ScF3。由图中数据得x∶z=　　　　。
题型突破3化工流程中化学方程式的书写及有关计算
1.(2024·安徽卷)精炼铜产生的铜阳极泥富含Cu、Ag、Au等多种元素。研究人员设计了一种从铜阳极泥中分离提取金和银的流程,如图所示。
(1)“电沉积”步骤中阴极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
“电沉积”步骤完成后,阴极区溶液中可循环利用的物质为　　　　(填化学式)。
(2)“还原”步骤中,被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为　　　　。
答案　(1)[Ag(S2O3)2]3-+e-===Ag↓+2S2　Na2S2O3　(2)3∶4
解析　(1)结合“浸出液3”的主要成分及“电沉积”步骤中得到Ag,可知该步骤中阴极反应式为[Ag(S2O3)2]3-+e-===Ag↓+2S2,“电沉积”后溶液中含大量的Na+和S2,形成的Na2S2O3可循环利用。(2)结合图示流程及氧化还原反应规律可写出“还原”步骤的化学方程式为4HAuCl4+3N2H4===4Au+3N2↑+16HCl,则反应中被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为3∶4。
2.(2024·江苏卷)净化后的NdCl3溶液通过沉钕、焙烧得到Nd2O3。
(1)向NdCl3溶液中加入(NH4)2CO3溶液,Nd3+可转化为Nd(OH)CO3沉淀。该反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)将8.84 mg Nd(OH)CO3(摩尔质量为221 g·mol-1)在氮气氛围中焙烧,剩余固体质量随温度变化曲线如图所示。550~600 ℃时,所得固体产物可表示为NdaOb(CO3)c,通过以上实验数据确定该产物中n(Nd3+)∶n(C)的比值(写出计算过程)。
答案　(1)2Nd3++3C+H2O===2Nd(OH)CO3↓+CO2↑　(2)2∶1,8.84 mg Nd(OH)CO3的物质的量为4×10-5 mol,550~600 ℃时,固体分解产生H2O与CO2,质量共减少1.24 mg,其中n(H2O)=2×10-5 mol,m(H2O)=0.36 mg,则m(CO2)=1.24 mg-0.36 mg=0.88 mg,n(CO2)=2×10-5 mol,n(CO2)=n(C)=2×10-5 mol,n(Nd3+)∶n(C)=2∶1
解析　(1)Nd3+、C发生相互促进的水解反应,产物为Nd(OH)CO3和CO2,根据电荷守恒、原子守恒配平反应的离子方程式为2Nd3++3C+H2O===2Nd(OH)CO3↓+CO2↑。(2)n[Nd(OH)CO3]==4×10-5 mol,其中n(OH-)=4×10-5 mol,550~600 ℃时,Nd(OH)CO3生成NdaOb(CO3)c,质量减少8.84 mg-7.60 mg=1.24 mg,焙烧产物中不含有H元素,则根据2OH-~H2O,焙烧过程中生成的H2O的质量为×4×10-5 mol×18 g·mol-1×103 mg·g-1=0.36 mg,则生成的CO2的质量为1.24 mg-0.36 mg=0.88 mg,根据C~CO2,发生反应的C的物质的量为=2×10-5 mol,起始固体中含有的C的物质的量=n[Nd(OH)CO3]=4×10-5 mol,则剩余固体中C的物质的量为4×10-5 mol-2×10-5 mol=2×10-5 mol,焙烧过程中,Nd不会减少,则剩余固体中Nd3+的物质的量为4×10-5 mol,故产物中n(Nd3+)∶n(C)=(4×10-5 mol)∶(2×10-5 mol)=2∶1。
3.(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:
已知:Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33,Ksp[Ni(OH)2]=5.5×10-16。
回答下列问题:
(1)硫酸溶矿主要反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)加入少量MnO2的作用是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
不宜使用H2O2替代MnO2,原因是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)煅烧窑中,生成LiMn2O4反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)MnCO3+H2SO4===MnSO4+H2O+CO2↑
(2)将Fe2+氧化为Fe3+　Mn2+和生成的Fe3+会催化H2O2分解
(3)2Li2CO3+8MnO24LiMn2O4+2CO2↑+O2↑
解析　根据题给的流程,将菱锰矿置于反应器中,加入硫酸和MnO2,可将固体溶解为离子,将杂质中的Fe、Ni、Al等元素物质也转化为其离子形式,同时加入的MnO2可以将溶液中的Fe2+氧化为Fe3+;随后将溶液pH调至约等于7,此时,根据已知条件给出的三种氢氧化物的溶度积进行计算可得出将溶液中的Al3+沉淀出来;随后加入BaS,可以将溶液中的Ni2+沉淀,得到相应的滤渣;反应后溶液中含有大量的Mn2+,将此溶液置于电解槽中电解,得到MnO2,将MnO2与碳酸锂共同煅烧得到最终产物LiMn2O4。(1)菱锰矿中主要含有MnCO3,加入硫酸后可以与其反应,硫酸溶矿主要反应的化学方程式为MnCO3+H2SO4===MnSO4+H2O+CO2↑。(2)根据分析,加入MnO2的作用是将酸溶后溶液中含有的Fe2+氧化为Fe3+;若使用H2O2替代MnO2,则Mn2+和生成的Fe3+会催化H2O2分解,原料利用率低。(3)煅烧窑中MnO2与Li2CO3发生反应生成LiMn2O4,反应的化学方程式为2Li2CO3+8MnO24LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。
4.(2023·山东卷)盐湖卤水(主要含Na+、Mg2+、Li+、Cl-、S和硼酸根等)是锂盐的重要来源。一种以高镁卤水为原料经两段除镁制备Li2CO3的工艺流程如下:
已知:常温下,Ksp(Li2CO3)=2.2×10-2。相关化合物的溶解度与温度的关系如图所示。
回答下列问题:
(1)含硼固体中的B(OH)3在水中存在平衡:B(OH)3+H2OH++[B(OH)4]-(常温下,Ka=10-9.24);B(OH)3与NaOH溶液反应可制备硼砂Na2B4O5(OH)4·8H2O。常温下,在0.10 mol·L-1 硼砂溶液中,[B4O5(OH)4]2-水解生成等物质的量浓度的B(OH)3和[B(OH)4]-,该水解反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　,
该溶液pH=　　　　。
(2)滤渣Ⅰ的主要成分是　　　　(填化学式);精制Ⅰ后溶液中Li+的浓度为2.0 mol·L-1,则常温下精制Ⅱ过程中C浓度应控制在　　　　mol·L-1 以下。若脱硼后直接进行精制Ⅰ,除无法回收HCl外,还将增加　　　　的用量(填化学式)。
答案　(1)[B4O5(OH)4]2-+5H2O2B(OH)3+2[B(OH)4]-　9.24
(2)Mg(OH)2、CaSO4　5.5×10-3　CaO
解析　由流程可知,卤水中加入盐酸脱硼后过滤,所得滤液经浓缩结晶后得到晶体,该晶体中含有Na+、Li+、Mg2+、Cl-、S等,焙烧后生成HCl气体(部分MgCl2·6H2OMgO+2HCl↑+5H2O↑);烧渣水浸后过滤,固体为MgO,滤液中加生石灰后产生沉淀,则滤渣Ⅰ的主要成分为Mg(OH)2、CaSO4;由于CaSO4微溶于水,精制Ⅰ所得滤液中再加纯碱又生成沉淀,则滤渣Ⅱ为CaCO3;精制Ⅱ所得滤液经操作X后,所得溶液经浓缩结晶、过滤得到氯化钠,浓缩后的滤液中加入饱和碳酸钠溶液沉锂,得到Li2CO3。(1)含硼固体中的B(OH)3在水中存在平衡:B(OH)3+H2O[B(OH)4]-+H+(常温下,K=10-9.24);B(OH)3与NaOH溶液反应可制备硼砂Na2B4O5(OH)4·8H2O。常温下,在0.10 mol·L-1 硼砂溶液中,[B4O5(OH)4]2-水解生成等物质的量浓度的B(OH)3和[B(OH)4]-,该水解反应的离子方程式为[B4O5(OH)4]2-+5H2O2B(OH)3+2[B(OH)4]-,由B元素守恒可知,B(OH)3和[B(OH)4]-的浓度均为0.20 mol·L-1,K==c(H+)=10-9.24,则该溶液pH=9.24。(2)由分析可知,滤渣Ⅰ的主要成分是Mg(OH)2、CaSO4;精制Ⅰ后溶液中Li+的浓度为2.0 mol·L-1,由Ksp(Li2CO3)=2.2×10-2可知,则常温下精制Ⅱ过程中C浓度应控制在 mol·L-1 =5.5×10-3 mol·L-1 以下;若脱硼后直接进行精制Ⅰ,除无法回收HCl(可与CaO反应)外,还会增加生石灰的用量。
1.化学工艺流程中常考试剂的作用
类别 物质 作用
氧化剂 H2O2、HNO3、KMnO4、MnO2 空气、次氯酸等 氧化某些还原性物质,便于后续分离,如氧化Fe2+、Co2+等
还原剂 SO2、Na2SO3、I-、Fe2+、金属单质等 还原某些氧化性物质,便于后续分离,如还原Fe3+等
酸 HCl、H2SO4、HNO3等 溶解金属和金属氧化物,调节溶液pH促进水解(沉淀),H2SO4可提供S作沉淀剂
碱 NaOH、 NH3·H2O等 去油污;调节溶液pH促进水解(沉淀),NaOH可溶解氧化铝、铝、二氧化硅
碳酸盐 Na2CO3、(NH4)2CO3 调pH使某些离子沉淀,提供C使某些离子(如Cu2+[1]、Ca2+、Pb2+、Ba2+等)沉淀
碳酸 氢盐 NaHCO3、NH4HCO3 调pH使某些离子沉淀,提供HC使某些离子{如 [Al(OH)4]-[2]、 Fe3+[3]、Al3+、Fe2+[4]、Mg2+、Mn2+、Co2+等}沉淀
草酸盐 Na2C2O4 使Ba2+、Ca2+等离子沉淀
硫化物 H2S、Na2S、 (NH4)2S 使Cu2+、Cu+、Pb2+、Ag+、Sn2+等离子沉淀
氟化物 HF、CaF2 使Ba2+、Ca2+、Mg2+等离子沉淀
[1]、[2]、[3]、[4]发生的反应分别是:
[1]2Cu2++2C+H2O===Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑;
[2][Al(OH)4]-+HC===Al(OH)3↓+C+H2O;
[3]Fe3++3HC===Fe(OH)3↓+3CO2↑;
[4]Fe2++2HC===FeCO3↓+CO2↑+H2O。
2.陌生的氧化还原反应的书写
例1　以软锰矿(主要成分为MnO2,含少量铁的氧化物)制备高纯MnCO3。流程如图:
酸溶还原时,MnO2发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　MnO2+2Fe2++4H+===Mn2++2Fe3++2H2O
解析　酸溶还原时,MnO2将亚铁离子氧化为铁离子,自身被还原为二价锰离子。
例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S和紫色Mn。用Na2S2O8检验水相中的Mn2+时发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)ZnS+4MnO2+4H2SO4===ZnSO4+4MnSO4+4H2O
(2)2Mn2++5S2+8H2O===2Mn+10S+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)S2与Mn2+反应生成S和Mn,根据得失电子守恒,S2、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++5S2+8H2O===2Mn+10S+16H+。
3.流程中的计算
(1)产率、纯度计算
纯度=×100%
产物的产率=×100%
(2)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。
例3　将等体积的4×10-3 mol·L-1的AgNO3溶液和4×10-3 mol·L-1 K2CrO4溶液混合,有无Ag2CrO4沉淀产生 [已知:Ksp(Ag2CrO4)=1.12×10-12]
答案　有
解析　等体积混合后,浓度为原来的一半。c(Ag+)=2×10-3 mol·L-1,c(Cr)=2×10-3 mol·L-1,Q=c2(Ag+)·c(Cr)=(2×10-3 )2×2×10-3=8×10-9>Ksp,所以有沉淀析出。
例4　(2024·山东临沂二模)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+2S2===2I-+S4)
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1×10-12 mol·L-1,c(S2-)== mol·L-1=6.4×10-24 mol·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~I2~2S2,w(ZnFe2O4)=×100%=%。
1.铊广泛用于高能物理、超导材料等领域,铊冶炼厂的含铊废水中铊离子(Tl+)浓度仍较高,还含有Zn2+、Cu2+、S等离子,需要处理达标后才能排放,处理流程如图甲所示:
已知:①常温下,部分金属离子的沉淀pH范围如表所示:
离子种类 Tl3+ Cu2+ Zn2+
开始沉淀pH 1.4 5.2 5.9
完全沉淀pH 2.8 6.4 8.9
②Tl+性质与碱金属离子类似,其盐易溶于水,易被氧化为Tl3+。
回答下列问题:
(1)常温下,“中和”步骤加入石灰调节pH为9.0,则滤渣1的主要成分除了Zn(OH)2外还有　　　　(填化学式)。
(2)“氧化”步骤加入不同氧化剂时铊的去除率随氧化剂投加量的变化如图乙所示,则氧化剂及其投加量应选择　　　　;写出选用次氯酸钠作氧化剂时发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)Cu(OH)2、CaSO4　(2)GY-1、2.5 mg·L-1　Tl++ClO-+2H+===Tl3++Cl-+H2O
解析　(1)由已知信息可知Tl+与碱金属离子类似,“中和”时不会被沉淀,故由题表可知,pH=9.0时Zn2+、Cu2+形成Zn(OH)2、Cu(OH)2沉淀,同时加入的石灰可以与S形成微溶的CaSO4。(2)由图乙可知,相同条件下GY-1作氧化剂时铊去除率更高,并且加入量为2.5 mg·L-1时铊去除率达到最大,超过此加入量后铊去除率下降且成本增加。氧化剂的作用是将Tl+氧化为Tl3+,故发生的反应为Tl+与ClO-在酸性条件下反应,ClO-被还原为Cl-,Tl+被氧化为Tl3+。
2.(2024·山东东营一模)由软锰矿(主要成分是MnO2,还含有Fe、Mg等元素)制备高纯碳酸锰、硫酸锰的一种工艺流程如图所示。
25 ℃时,一些难溶电解质的溶度积常数如表所示。
难溶 电解质 MnCO3 MnF2 CaF2 MgF2
Ksp 1.8×10-11 4.5×10-3 1.5×10-10 7.4×10-11
一定条件下,一些金属氢氧化物沉淀时的pH如表所示。
金属氢氧化物 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Mn(OH)2
开始沉淀的pH 6.8 2.3 9.1
完全沉淀的pH 8.3 3.2 10
已知“溶浸”时,Fe不能还原MnO2,但Fe2+能还原MnO2得到Mn2+。
(1)Fe2+还原MnO2的离子方程式是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)实际测得“溶浸”时消耗n(MnO2)∶n(Fe)>1∶2,原因是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)“氧化”时加入适量的H2O2的目的是　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)用CaCO3“调pH”虽然成本较低,但会引入Ca2+等杂质,若使用　　　　(填化学式)“调pH”可避免此问题。
答案　(1)MnO2+2Fe2++4H+===2Fe3++Mn2++2H2O　(2)“溶浸”时发生反应Fe+2Fe3+===3Fe2+,部分Fe3+转化成还原剂Fe2+,减少了单质铁的用量　(3)将Fe2+氧化为Fe3+,便于在“调pH”时除去　(4)MnCO3或Mn(OH)2(合理即可)
解析　(1)“溶浸”时先发生反应Fe+2H+===Fe2++H2↑,产生Fe2+,酸性环境下,Fe2+能还原MnO2得到Mn2+,反应为MnO2+2Fe2++4H+===2Fe3++Mn2++2H2O。(2)“溶浸”时生成的Fe3+有较强的氧化性,故“溶浸”时会发生反应Fe+2Fe3+===3Fe2+,部分Fe3+转化成还原剂Fe2+,间接减少了单质铁的用量。(3)观察题给金属氢氧化物沉淀时的pH数据可知,若将Fe2+转化成Fe(OH)2会造成Mn2+的损失,故先用H2O2将Fe2+氧化成Fe3+,便于在“调pH”时除去。(4)欲使“调pH”时不引入新杂质,可使用能与H+反应的锰的化合物,如MnCO3或Mn(OH)2等。
3.(2024·江苏泰州二模)钛铁矿的主要成分为FeTiO3,含少量SiO2、Sc2O3等氧化物,某实验室利用钛铁矿制取ScF3的流程如图所示。
已知:①“酸浸”时FeTiO3转化为TiO2+;
[TiO(H2O2)]2+为橘黄色的稳定离子,易溶于水。
②室温下,溶液中离子沉淀完全的pH如表所示。
离子 Fe3+ Fe2+ TiO2+
沉淀完全的pH 3.2 9.0 1.05
(1)“酸溶”所得溶液中含有Sc3+、Fe3+等。若此溶液中Sc3+的浓度为0.01 mol·L-1,“氨水调pH”时应控制的pH范围是　　　　　　　　　　　　　　
{已知Ksp[Sc(OH)3]=1.25×10-33,lg2=0.3}。
(2)“沉钪”形成的复盐沉淀化学式为xNH4Cl·yScF3·zH2O,在“脱水除铵”过程中取7.47 g该复盐进行热分解,剩余固体质量与温度的关系如图所示,其中在380~400 ℃过程中会有白烟冒出,保温至无烟气产生,即得到ScF3。由图中数据得x∶z=　　　　。
答案　(1)3.2~3.7或3.2≤pH<3.7　(2)1∶2
解析　(1)第一步:分析“氨水调pH”的目的。用氨水调节溶液pH的目的是使Fe3+沉淀完全而Sc3+不沉淀。第二步:根据题给信息找到使Fe3+沉淀完全所需的pH。由表知,使Fe3+完全沉淀需pH≥3.2。第三步:通过Ksp计算Sc3+开始沉淀的pH。由Ksp[Sc(OH)3]=1.25×10-33得,Sc3+开始沉淀时c(OH-)= mol·L-1=5×10-11 mol·L-1,对应的c(H+)为2×10-4 mol·L-1,pH=3.7,故除杂过程中应控制的pH范围是3.2~3.7。(2)由“脱水除铵”以及最终得到ScF3知,xNH4Cl·yScF3·zH2O在200~300 ℃时减少的是结晶水的质量,在380~400 ℃过程中会有白烟冒出,“保温至无烟气产生”意味着沉淀中NH4Cl分解完全,即380~400 ℃减少的是NH4Cl的质量,则n(NH4Cl)==0.06 mol,n(H2O)==0.12 mol,===。(共38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3　化工流程中化学方程式的
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书写及有关计算
1.(2024·安徽卷)精炼铜产生的铜阳极泥富含Cu、Ag、Au等多种元素。研究人员设计了一种从铜阳极泥中分离提取金和银的流程,如图所示。
(1)“电沉积”步骤中阴极的电极反应式为___________________________。
“电沉积”步骤完成后,阴极区溶液中可循环利用的物质为　　　　(填化学式)。
(2)“还原”步骤中,被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为　　　　。
[Ag(S2O3)2]3-+e-===Ag↓+2S2
Na2S2O3
3∶4
解析　(1)结合“浸出液3”的主要成分及“电沉积”步骤中得到Ag,可知该步骤中阴极反应式为[Ag(S2O3)2]3-+e-===Ag↓+2S2,“电沉积”后溶液中含大量的Na+和S2,形成的Na2S2O3可循环利用。(2)结合图示流程及氧化还原反应规律可写出“还原”步骤的化学方程式为4HAuCl4+3N2H4===4Au+3N2↑+16HCl,则反应中被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为3∶4。
2.(2024·江苏卷)净化后的NdCl3溶液通过沉钕、焙烧得到Nd2O3。
(1)向NdCl3溶液中加入(NH4)2CO3溶液,Nd3+可转化为Nd(OH)CO3沉淀。该反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　。
(2)将8.84 mg Nd(OH)CO3(摩尔质量为221 g·mol-1)在氮气氛围中焙烧,剩余固体质量随温度变化曲线如图所示。550~600 ℃时,所得固体产物可表示为NdaOb(CO3)c,通过以上实验数据确定该产物中n(Nd3+)∶n(C)的比值(写出计算过程)。
2Nd3++3C+H2O===2Nd(OH)CO3↓+CO2↑
答案 2∶1,8.84 mg Nd(OH)CO3的物质的量为4×10-5 mol,550~600 ℃时,固体分解产生H2O与CO2,质量共减少1.24 mg,其中n(H2O)=2×10-5 mol,m(H2O)=0.36 mg,则m(CO2)=1.24 mg-0.36 mg=0.88 mg,n(CO2)=2×10-5 mol,n(CO2) =n(C)=2×10-5 mol,n(Nd3+)∶n(C)=2∶1
解析　(1)Nd3+、C发生相互促进的水解反应,产物为Nd(OH)CO3和CO2,根据电荷守恒、原子守恒配平反应的离子方程式为2Nd3++3C+H2O=== 2Nd(OH)CO3↓+CO2↑。(2)n[Nd(OH)CO3]== 4×10-5 mol,其中n(OH-)= 4×10-5 mol,550~600 ℃时,Nd(OH)CO3生成NdaOb(CO3)c,质量减少8.84 mg-7.60 mg=1.24 mg,焙烧产物中不含有H元素,则根据2OH-~H2O,焙烧过程中生成的H2O的质量为×4×10-5 mol×18 g·mol-1×103 mg·g-1=0.36 mg,则生成的CO2的质量为
1.24 mg-0.36 mg=0.88 mg,根据C~CO2,发生反应的C
=2×10-5 mol,起始固体中含有的C的物质的量=n[Nd(OH)CO3]=4×10-5 mol,则剩余固体中C的物质的量为4×10-5 mol-2×10-5 mol=2×10-5 mol,焙烧过程中,Nd不会减少,则剩余固体中Nd3+的物质的量为4×10-5 mol,故产物中n(Nd3+)∶n(C)=(4×10-5 mol)∶(2×10-5 mol)=2∶1。
3.(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:
已知:Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33,Ksp[Ni(OH)2]=5.5×10-16。
回答下列问题:
(1)硫酸溶矿主要反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　 　　　。
(2)加入少量MnO2的作用是　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　。
不宜使用H2O2替代MnO2,原因是　　　　　　　　　　　　　　 　　。
(3)煅烧窑中,生成LiMn2O4反应的化学方程式是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
MnCO3+H2SO4===MnSO4+H2O+CO2↑
将Fe2+氧化为Fe3+
Mn2+和生成的Fe3+会催化H2O2分解
4.(2023·山东卷)盐湖卤水(主要含Na+、Mg2+、Li+、Cl-、S和硼酸根等)是锂盐的重要来源。一种以高镁卤水为原料经两段除镁制备Li2CO3的工艺流程如图:
已知:常温下,Ksp(Li2CO3)=2.2×10-2。相关化合物的溶解度与温度的关系如图所示。
9.24
Mg(OH)2、CaSO4
5.5×10-3
CaO
1.化学工艺流程中常考试剂的作用
类别 物质 作用
氧化剂 H2O2、HNO3、KMnO4、MnO2空气、次氯酸等 氧化某些还原性物质,便于后续分离,如氧化Fe2+、Co2+等
还原剂 SO2、Na2SO3、I-、Fe2+、金属单质等 还原某些氧化性物质,便于后续分离,如还原Fe3+等
酸 HCl、H2SO4、HNO3等 溶解金属和金属氧化物,调节溶液pH促进水解(沉淀),H2SO4可提供S作沉淀剂
碱 NaOH、NH3·H2O等 去油污;调节溶液pH促进水解(沉淀),NaOH可溶解氧化铝、铝、二氧化硅
类别 物质 作用
碳酸盐 Na2CO3、(NH4)2CO3 调pH使某些离子沉淀,提供C使某些离子(如Cu2+[1]、Ca2+、Pb2+、Ba2+等)沉淀
碳酸氢盐 NaHCO3、NH4HCO3 调pH使某些离子沉淀,提供HC使某些离子{如[Al(OH)4]-[2]、Fe3+[3]、Al3+、Fe2+[4]、Mg2+、Mn2+、Co2+等}沉淀
草酸盐 Na2C2O4 使Ba2+、Ca2+等离子沉淀
硫化物 H2S、Na2S、(NH4)2S 使Cu2+、Cu+、Pb2+、Ag+、Sn2+等离子沉淀
氟化物 HF、CaF2 使Ba2+、Ca2+、Mg2+等离子沉淀
[1]、[2]、[3]、[4]发生的反应分别是:
[1]_________________________________________;
[2]_________________________________________;
[3]_________________________________________;
[4]_________________________________________。
2Cu2++2C+H2O===Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑
[Al(OH)4]-+HC===Al(OH)3↓+C+H2O
Fe3++3HC===Fe(OH)3↓+3CO2↑
Fe2++2HC===FeCO3↓+CO2↑+H2O
2.陌生的氧化还原反应的书写
例1　以软锰矿(主要成分为MnO2,含少量铁的氧化物)制备高纯MnCO3。流程如图:
酸溶还原时,MnO2发生反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
MnO2+2Fe2++4H+===Mn2++2Fe3++2H2O
解析　酸溶还原时,MnO2将亚铁离子氧化为铁离子,自身被还原为二价锰离子。
例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S和紫色Mn。用Na2S2O8检验水相中的Mn2+时发生反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
ZnS+4MnO2+4H2SO4===ZnSO4+4MnSO4+4H2O
2Mn2++5S2+8H2O===2Mn+10S+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)S2与Mn2+反应生成S和Mn,根据得失电子守恒,S2、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++5S2+8H2O===2Mn+10S+16H+。
3.流程中的计算
(1)产率、纯度计算
纯度=×100%
产物的产率=×100%
(2)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。
例3　将等体积的4×10-3 mol·L-1的AgNO3溶液和4×10-3 mol·L-1 K2CrO4溶液混合,有无Ag2CrO4沉淀产生 [已知:Ksp(Ag2CrO4)=1.12×10-12]
答案　有
解析　等体积混合后,浓度为原来的一半。c(Ag+)=2×10-3 mol·L-1, c(Cr)=2×10-3 mol·L-1,Q=c2(Ag+)·c(Cr)=(2×10-3 )2×2×10-3=8×10-9>Ksp,所以有沉淀析出。
例4　(2024·山东临沂二模)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]
0.25 mol·L-1
解析　(1)若净化后的溶液中Cu2+浓度为1×10-12 mol·L-1,c(S2-)== mol·L-1=6.4×10-24 mol·L-1,则净化后溶液中c(Zn2+)== mol·L-1=0.25 mol·L-1。
(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+2S2===2I-+S4)
%
解析　(2)由题可知关系式:
ZnFe2O4~I2~2S2,w(ZnFe2O4)=×100%=%。
1.铊广泛用于高能物理、超导材料等领域,铊冶炼厂的含铊废水中铊离子(Tl+)浓度仍较高,还含有Zn2+、Cu2+、S等离子,需要处理达标后才能排放,处理流程如图甲所示:
已知:①常温下,部分金属离子的沉淀pH范围如表所示:
离子种类 Tl3+ Cu2+ Zn2+
开始沉淀pH 1.4 5.2 5.9
完全沉淀pH 2.8 6.4 8.9
②Tl+性质与碱金属离子类似,其盐易溶于水,易被氧化为Tl3+。
回答下列问题:
(1)常温下,“中和”步骤加入石灰调节pH为9.0,则滤渣1的主要成分除了Zn(OH)2外还有　 　　　(填化学式)。
(2)“氧化”步骤加入不同氧化剂时铊的去除率随氧化剂投加量的变化如图乙所示,则氧化剂及其投加量应选择　 　　　;写出选用次氯酸钠作氧化剂时发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　　　。
Cu(OH)2、CaSO4
GY-1、2.5 mg·L-1
Tl++ClO-+2H+===Tl3++Cl-+H2O
解析　(1)由已知信息可知Tl+与碱金属离子类似,“中和”时不会被沉淀,故由题表可知,pH=9.0时Zn2+、Cu2+形成Zn(OH)2、Cu(OH)2沉淀,同时加入的石灰可以与S形成微溶的CaSO4。(2)由图乙可知,相同条件下GY-1作氧化剂时铊去除率更高,并且加入量为2.5 mg·L-1时铊去除率达到最大,超过此加入量后铊去除率下降且成本增加。氧化剂的作用是将Tl+氧化为Tl3+,故发生的反应为Tl+与ClO-在酸性条件下反应,ClO-被还原为Cl-,Tl+被氧化为Tl3+。
2.(2024·山东东营一模)由软锰矿(主要成分是MnO2,还含有Fe、Mg等元素)制备高纯碳酸锰、硫酸锰的一种工艺流程如图所示。
25 ℃时,一些难溶电解质的溶度积常数如表所示。
难溶电解质 MnCO3 MnF2 CaF2 MgF2
Ksp 1.8×10-11 4.5×10-3 1.5×10-10 7.4×10-11
一定条件下,一些金属氢氧化物沉淀时的pH如表所示。
金属氢氧化物 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Mn(OH)2
开始沉淀的pH 6.8 2.3 9.1
完全沉淀的pH 8.3 3.2 10
已知“溶浸”时,Fe不能还原MnO2,但Fe2+能还原MnO2得到Mn2+。
(1)Fe2+还原MnO2的离子方程式是　　　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)实际测得“溶浸”时消耗n(MnO2)∶n(Fe)>1∶2,原因是
____________________________________________________________________________________________________________________________________。
(3)“氧化”时加入适量的H2O2的目的是　 　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)用CaCO3“调pH”虽然成本较低,但会引入Ca2+等杂质,若使用
　　 　　(填化学式)“调pH”可避免此问题。
MnO2+2Fe2++4H+===2Fe3++Mn2++2H2O
“溶浸”时发生反应Fe+2Fe3+===3Fe2+,部分Fe3+转化成还原剂Fe2+,减少了单质铁的用量
将Fe2+氧化为Fe3+,便于在“调pH”时除去
MnCO3或Mn(OH)2(合理即可)
解析　(1)“溶浸”时先发生反应Fe+2H+===Fe2++H2↑,产生Fe2+,酸性环境下,Fe2+能还原MnO2得到Mn2+,反应为MnO2+2Fe2++4H+===2Fe3++Mn2++2H2O。(2)“溶浸”时生成的Fe3+有较强的氧化性,故“溶浸”时会发生反应Fe+2Fe3+===3Fe2+,部分Fe3+转化成还原剂Fe2+,间接减少了单质铁的用量。(3)观察题给金属氢氧化物沉淀时的pH数据可知,若将Fe2+转化成Fe(OH)2会造成Mn2+的损失,故先用H2O2将Fe2+氧化成Fe3+,便于在“调pH”时除去。(4)欲使“调pH”时不引入新杂质,可使用能与H+反应的锰的化合物,如MnCO3或Mn(OH)2等。
3.(2024·江苏泰州二模)钛铁矿的主要成分为FeTiO3,含少量SiO2、Sc2O3等氧化物,某实验室利用钛铁矿制取ScF3的流程如图所示。
已知:①“酸浸”时FeTiO3转化为TiO2+;
[TiO(H2O2)]2+为橘黄色的稳定离子,易溶于水。
②室温下,溶液中离子沉淀完全的pH如表所示。
离子 Fe3+ Fe2+ TiO2+
沉淀完全的pH 3.2 9.0 1.05
(1)“酸溶”所得溶液中含有Sc3+、Fe3+等。若此溶液中Sc3+的浓度为0.01 mol·L-1,“氨水调pH”时应控制的pH范围是　　　　　　　　　　　　　　
{已知Ksp[Sc(OH)3]=1.25×10-33,lg2=0.3}。
(2)“沉钪”形成的复盐沉淀化学式为xNH4Cl·yScF3·zH2O,在“脱水除铵”过程中取7.47 g该复盐进行热分解,剩余固体质量与温度的关系如图所示,其中在380~
400 ℃过程中会有白烟冒出,保温至无烟气产生,即得到ScF3。由图中数据得x∶z=　　　　。
3.2~3.7或3.2≤pH<3.7
1∶2
解析　(1)第一步:分析“氨水调pH”的目的。用氨水调节溶液pH的目的是使Fe3+沉淀完全而Sc3+不沉淀。第二步:根据题给信息找到使Fe3+沉淀完全所需的pH。由表知,使Fe3+完全沉淀需pH≥3.2。第三步:通过Ksp计算Sc3+开始沉淀的pH。由Ksp[Sc(OH)3]=1.25×10-33得,Sc3+开始沉淀时c(OH-)= mol·L-1=5×10-11 mol·L-1,对应的c(H+)为2×10-4 mol·L-1,pH=3.7,故除杂过程中应控制的pH范围是3.2~3.7。(2)由“脱水除铵”以及最终得到ScF3知,xNH4Cl·yScF3·zH2O在200~300 ℃时减少的是结晶水的质量,在380~400 ℃过程中会有白烟冒出,“保温至无烟气产生”意味着沉淀中NH4Cl分解完全,即380~400 ℃减少的是NH4Cl的质量,则n(NH4Cl)==0.06 mol,n(H2O)==0.12 mol,===。

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