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[热点题空]　第3练　化工流程中试剂用量及温度控制分析
1.(8分)[2024·广东，18(4)(5)]镓(Ga)在半导体、记忆合金等高精尖材料领域有重要应用。一种从电解铝的副产品炭渣(含C、Na、Al、F和少量的Ga、Fe、K、Ca等元素)中提取镓及循环利用铝的工艺如下。
工艺中，LAEM是一种新型阴离子交换膜，允许带负电荷的配离子从高浓度区扩散至低浓度区。用LAEM提取金属离子Mn+的原理如图。已知：
①pKa(HF)=3.2。
②Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10。
③浸取液中，Ga(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)以[MClm](m-3)-(m=0~4)微粒形式存在，Fe2+最多可与2个Cl-配位，其他金属离子与Cl-的配位可忽略。
(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越　　　　　　　，越有利于Ga的提取；研究表明，原料液酸度过高，会降低Ga的提取率。因此，在不提高原料液酸度的前提下，可向Ⅰ室中加入　　　　　　(填化学式)，以进一步提高Ga的提取率。
(5)“调pH”中，pH至少应大于　　　　　　　，使溶液中c(F-)>c(HF)，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成。若“结晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，则[AlF6]3-浓度为　　　　 mol·L-1。
2.(4分)[2023·湖南，17(2)]超纯Ga(CH3)3是制备第三代半导体的支撑源材料之一，近年来，我国科技工作者开发了超纯纯化、超纯分析和超纯灌装一系列高新技术，在研制超纯Ga(CH3)3方面取得了显著成果，工业上以粗镓为原料，制备超纯Ga(CH3)3的工艺流程如下：
已知：金属Ga的化学性质和Al相似，Ga的熔点为29.8 ℃。
“电解精炼”装置如图所示，电解池温度控制在40~45 ℃的原因是　　　　　　　，阴极的电极反应式为　　　　。
3.(6分)(2022·福建，11)粉煤灰是火电厂的大宗固废。以某电厂的粉煤灰为原料(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)提铝的工艺流程如下：
回答下列问题：
(1)“浸出”时适当升温的主要目的是　　　　　　　　　　　　　，Al2O3发生反应的离子方程式为　　　　　　　　。
(2)“浸渣”的主要成分除残余Al2O3外，还有　　　　　。实验测得，5.0 g粉煤灰(Al2O3的质量分数为30%)经浸出、干燥后得到3.0 g “浸渣”(Al2O3的质量分数为8%)，Al2O3的浸出率为　　　　　。
(3)“沉铝”时，体系中三种物质的溶解度曲线如下图所示，加入K2SO4沉铝的目的是　　　　，“沉铝”的最佳方案为　　　　。
(4)“焙烧”时，主要反应的化学方程式为　　　　　　　。
(5)“水浸”后得到的“滤液2”可返回　　　　工序循环使用。
4.(9分)碱式硫酸铝[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]溶液可用于烟气脱硫。实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝溶液，实验流程如下：
已知“调pH”的反应为(2-x)Al2(SO4)3+3xCaCO3+3xH2O===2[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]+3xCaSO4+3xCO2↑。
(1)“酸浸”时适当增大H2SO4溶液浓度的目的是　　　　　。能达到相同目的的方法还有　　　　(任写一种)。
(2)“酸浸”时应控制H2SO4溶液的用量，H2SO4溶液用量不能太多的原因是　　　　　　　。
5.(3分)一种从铜阳极泥(主要含有铜、银、金、少量的镍)中分离提取多种金属元素的工艺流程如下：
“分铜”时，如果反应温度过高，会有明显的放出气体现象，原因是　　　　。
6.(10分)六氟铝酸钠俗称冰晶石，广泛应用于冶铝工业。以磷肥副产物氟硅酸铵为原料制备六氟铝酸钠的简易流程如图所示：
(1)写出反应①的化学方程式：　　　　，适当加热可以提高反应①的化学反应速率，但是温度不宜过高，其原因有两点：一是避免氨水挥发，降低反应物浓度；二是　　　　。
(2)反应③得到Na3AlF6和滤液，滤液用于反应　　　　(填“①”或“②”)循环利用。NH4F溶液不能用玻璃容器盛装，其原因是　　　　。
(3)通过实验得出Na3AlF6的产率与外界条件关系如图所示(提示：温度、时间针对反应③)。
根据上述实验结果，可知最佳条件：反应温度、反应时间、氢氧化钠与氢氧化铝的物质的量之比依次是　　　　。
答案精析
1.(4)高　NaCl　(5)3.2　4.0×10-7
解析　(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越高，越有利于生成[GaCl4]-的反应正向进行，有利于Ga的提取，在不提高原料液酸度的前提下，同时不引入新杂质，可向Ⅰ室中加入NaCl，提高Cl-浓度，进一步提高Ga的提取率。(5)由pKa(HF)=3.2，Ka(HF)==10-3.2，为了使溶液中c(F-)>c(HF)，c(H+)=×10-3.2 mol·L-1<10-3.2 mol·L-1，故pH至少应大于3.2，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成；若“结晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，根据Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10，[AlF6]3-浓度为= mol·L-1=4.0×10-7 mol·L-1。
2.确保生成的Ga为液体，便于从出料口流出　[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-
解析　镓的熔点为29.8 ℃，电解精炼温度需高于镓的熔点，因此电解池温度控制在40~45 ℃。Ga和Al性质相似，电解精炼过程中粗镓在阳极失电子产生的Ga3+在NaOH溶液中形成[Ga(OH)4]-，[Ga(OH)4]-在阴极得电子被还原为Ga，故阴极反应为[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-。
3.(1)提高浸出率(或提高浸出速率)　Al2O3+6H+===2Al3++3H2O　(2)SiO2和CaSO4　84%　(3)使更多的铝元素转化为晶体析出，同时保证晶体纯度　加热溶解再冷却结晶
(4)2KAl(SO4)2K2SO4+Al2O3+3SO3↑
[或4KAl2K2SO4+2Al2O3+6SO2↑+3O2↑]
(5)沉铝
解析　粉煤灰中(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)加入硫酸，浸渣为二氧化硅、硫酸钙，加入硫酸钾，产生复盐明矾沉铝，干燥脱水，焙烧产生氧化铝、硫酸钾和SO2、O2(或SO3)，水浸除去硫酸钾，过滤得到氧化铝。(2)5.0 g粉煤灰中Al2O3的质量为5.0 g×30%=1.5 g，3.0 g “浸渣”中Al2O3的质量为3.0 g×8%=0.24 g，则Al2O3的浸出率为×100%=84%。(3)根据沉铝体系中低温下KAl(SO4)2·12H2O溶解度最小，更容易析出，加入K2SO4沉铝的目的是使更多的铝元素转化为KAl(SO4)2·12H2O析出，同时保证晶体纯度；KAl(SO4)2·12H2O溶解度受温度影响较大，“沉铝”的最佳方案为加热溶解再冷却结晶。(5)“水浸”后得到的“滤液2”的成分为K2SO4，可返回沉铝工序循环使用。
4.(1)加快酸浸时的反应速率，增大浸出率　搅拌(答案合理即可)
(2)多余的硫酸会增加后续调pH步骤CaCO3的消耗量
5.温度过高，H2O2分解放出氧气
6.(1)(NH4)2SiF6+4NH3·H2O===6NH4F+H2SiO3↓+H2O　避免NH4F水解程度增大而损失
(2)①　NH4F水解生成HF，HF腐蚀玻璃
(3)60 ℃、60 min、2.0
解析　(1)氟硅酸铵与氨水反应，可以看成是氟硅酸铵先水解生成氟化氢、硅酸和氨水，然后氨水和氟化氢反应生成氟化铵。温度升高，氨水挥发加快，NH4F水解程度增大。(2)反应③为Na[Al(OH)4]+6NH4F+2NaOH===Na3AlF6↓+6NH3·H2O，滤液中氨水可以用作反应①的反应物。NH4F发生水解生成HF，HF能与玻璃中的二氧化硅反应生成四氟化硅和水。(共24张PPT)
[热点题空]
专题二　第3练　
化工流程中试剂用
量及温度控制分析
1.[2024·广东，18(4)(5)]镓(Ga)在半导体、记忆合金等高精尖材料领域有重要应用。一种从电解铝的副产品炭渣(含C、Na、Al、F和少量的Ga、Fe、K、Ca等元素)中提取镓及循环利用铝的工艺如下。
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工艺中，LAEM是一种新型阴离子交换膜，允许带负电荷的配离子从高浓度区扩散至低浓度区。用LAEM提取金属离子Mn+的原理如图。已知：
①pKa(HF)=3.2。
②Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10。
③浸取液中，Ga(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)以[MClm](m-3)-
(m=0~4)微粒形式存在，Fe2+最多可与2个Cl-
配位，其他金属离子与Cl-的配位可忽略。
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(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越　　　，越有利于Ga的提取；研究表明，原料液酸度过高，会降低Ga的提取率。因此，在不提高原料液酸度的前提下，可向Ⅰ室中加入　　　(填化学式)，以进一步提高Ga的提取率。
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高
NaCl
“LAEM提取”中，原料液的Cl-浓度越高，越有利于生成[GaCl4]-的反应正向进行，有利于Ga的提取，在不提高原料液酸度的前提下，同时不引入新杂质，可向Ⅰ室中加入NaCl，提高Cl-浓度，进一步提高Ga的提取率。
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(5)“调pH”中，pH至少应大于　　　，使溶液中c(F-)>c(HF)，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成。若“结晶”后溶液中c(Na+)=
0.10 mol·L-1，则[AlF6]3-浓度为　　　 　 mol·L-1。
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3.2
4.0×10-7
由pKa(HF)=3.2，Ka(HF)==10-3.2，为了使溶液中c(F-)>c(HF)，c(H+)=×10-3.2 mol·L-1<10-3.2 mol·L-1，故pH至少应大于3.2，有利于[AlF6]3-配离子及Na3[AlF6]晶体的生成；若“结晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，根据Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp为4.0×10-10，[AlF6]3-浓度为= mol·L-1=4.0
×10-7 mol·L-1。
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2.[2023·湖南，17(2)]超纯Ga(CH3)3是制备第三代半导体的支撑源材料之一，近年来，我国科技工作者开发了超纯纯化、超纯分析和超纯灌装一系列高新技术，在研制超纯Ga(CH3)3方面取得了显著成果，工业上以粗镓为原料，制备超纯Ga(CH3)3的工艺流程如下：
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已知：金属Ga的化学性质和Al相似，Ga的熔点为29.8 ℃。
“电解精炼”装置如图所示，电解池温度控制在40~45 ℃的原因是
　　　 　　　　 ，阴极的电极反应式为
　　　 　。
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确保生成的Ga为液体，便于从出料口流出
[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-
镓的熔点为29.8 ℃，电解精炼温度需高于镓的熔点，因此电解池温度控制在40~45 ℃。Ga和Al性质相似，电解精炼过程中粗镓在阳极失电子产生的Ga3+在NaOH溶液中形成[Ga(OH)4]-，[Ga(OH)4]-在阴极得电子被还原为Ga，故阴极反应为[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-。
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3.(2022·福建，11)粉煤灰是火电厂的大宗固废。以某电厂的粉煤灰为原料(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)提铝的工艺流程如下：
回答下列问题：
(1)“浸出”时适当升温的主要目的是　　 　　　　　　　　　　　，Al2O3发生反应的离子方程式为　　 　　　　　　。
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提高浸出率(或提高浸出速率)
Al2O3+6H+===2Al3++3H2O
(2)“浸渣”的主要成分除残余Al2O3外，还有　　　 　　。实验测得，5.0 g粉煤灰(Al2O3的质量分数为30%)经浸出、干燥后得到3.0 g “浸渣”
(Al2O3的质量分数为8%)，Al2O3的浸出率为　　　。
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SiO2和CaSO4
84%
粉煤灰中(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)加入硫酸，浸渣为二氧化硅、硫酸钙，加入硫酸钾，产生复盐明矾沉铝，干燥脱水，焙烧产生氧化铝、硫酸钾和SO2、O2(或SO3)，水浸除去硫酸钾，过滤得到氧化铝。
5.0 g粉煤灰中Al2O3的质量为5.0 g×30%=1.5 g，3.0 g “浸渣”中
Al2O3的质量为3.0 g×8%=0.24 g，则Al2O3的浸出率为×
100%=84%。
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(3)“沉铝”时，体系中三种物质的溶解度曲线如下图所示，加入K2SO4沉铝的目的是　　　　 ，“沉铝”的最佳方案为　　 　　。
使更多的铝元素转化为晶体析出，同时保证晶体纯度
加热溶解再冷却结晶
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根据沉铝体系中低温下KAl(SO4)2·
12H2O溶解度最小，更容易析出，加入K2SO4沉铝的目的是使更多的铝元素转化为KAl(SO4)2·12H2O析出，同时保证晶体纯度；KAl(SO4)2·12H2O溶解度受温度影响较大，“沉铝”的最佳方案为加热溶解再冷却结晶。
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“水浸”后得到的“滤液2”的成分为K2SO4，可返回沉铝工序循环使用。
(4)“焙烧”时，主要反应的化学方程式为__________________________
　　　　　　　 。
(5)“水浸”后得到的“滤液2”可返回　　　　工序循环使用。
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Al2O3+3SO3↑[或4KAl 2K2SO4+2Al2O3+6SO2↑+3O2↑]
2KAl(SO4)2 K2SO4+
沉铝
4.碱式硫酸铝[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]溶液可用于烟气脱硫。实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝溶液，实验流程如下：
已知“调pH”的反应为(2-x)Al2(SO4)3+3xCaCO3+3xH2O===2[(1-x)Al2(SO4)3·
xAl(OH)3]+3xCaSO4+3xCO2↑。
(1)“酸浸”时适当增大H2SO4溶液浓度的目的是_____________________
　　　　 　。能达到相同目的的方法还有　 　　　(任写一种)。
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加快酸浸时的反应速率，
增大浸出率
搅拌(答案合理即可)
(2)“酸浸”时应控制H2SO4溶液的用量，H2SO4溶液用量不能太多的原因是　　　　　　　 。
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多余的硫酸会增加后续调pH步骤CaCO3的消耗量
5.一种从铜阳极泥(主要含有铜、银、金、少量的镍)中分离提取多种金属元素的工艺流程如下：
“分铜”时，如果反应温度过高，会有明显的放出气体现象，原因是
　 　　　。
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温度过高，H2O2分解放出氧气
6.六氟铝酸钠俗称冰晶石，广泛应用于冶铝工业。以磷肥副产物氟硅酸铵为原料制备六氟铝酸钠的简易流程如图所示：
(1)写出反应①的化学方程式：
__________________________
_____________________，适
当加热可以提高反应①的化学
反应速率，但是温度不宜过高，
其原因有两点：一是避免氨水
挥发，降低反应物浓度；二是　　 　　。
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(NH4)2SiF6+4NH3·H2O===
6NH4F+H2SiO3↓+H2O
避免NH4F水解程度增大而损失
氟硅酸铵与氨水反应，可以看成是氟硅酸铵先水解生成氟化氢、硅酸和氨水，然后氨水和氟化氢反应生成氟化铵。温度升高，氨水挥发加快，NH4F水解程度增大。
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(2)反应③得到Na3AlF6和滤液，滤液用于反应　　　(填“①”或“②”)循环利用。NH4F溶液不能用玻璃容器盛装，其原因是________________
　　　　 。
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①
NH4F水解生成HF，
HF腐蚀玻璃
反应③为Na[Al(OH)4]+6NH4F+2NaOH===Na3AlF6↓+6NH3·H2O，滤液中氨水可以用作反应①的反应物。NH4F发生水解生成HF，HF能与玻璃中的二氧化硅反应生成四氟化硅和水。
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(3)通过实验得出Na3AlF6的产率与外界条件关系如图所示(提示：温度、时间针对反应③)。
根据上述实验结果，可知最佳条件：反应温度、反应时间、氢氧化钠与氢氧化铝的物质的量之比依次是　 　　　。
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60 ℃、60 min、2.0

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