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热点题空2 化工生产物质转化过程中pH条件的控制
【高考必备知识】
1．创造氧化还原反应所需要的酸性或碱性环境，增强物质的氧化性或还原性(增强MnO、NO的氧化性)
2．调pH除杂：控制溶液的pH值使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀而被除去
(1)原理：加入的物质能与溶液中的H+反应，降低了H+的浓度，使溶液pH值增大
(2)pH控制的范围：杂质离子完全沉淀时pH值~主要离子开始沉淀时pH (注意端值取)
(3)需要的物质：含主要阳离子(不引入新杂质即可)的难溶性氧化物或氢氧化物或碳酸盐，即能与H+反应，使pH增大的物质，如MgO、Mg(OH)2、MgCO3等类型的物质
(4)实例：除去CuSO4溶液中少量Fe3+，可向溶液中加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3、CuCO3，调节pH至3～4，使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去。Fe3+溶液中存在水解平衡：Fe3＋＋3H2OFe(OH)3＋3H＋，加入CuO后，溶液中H+浓度降低，平衡正向移动，Fe(OH)3越聚越多，最终形成沉淀
①加入CuO的作用：调节溶液的pH，使Fe3＋转化为Fe(OH)3
②加热的目的：促进Fe3＋水解
3．抑制某些离子的水解，防止产品混入杂质
像盐酸盐、硝酸盐溶液，通过结晶方法制备晶体或加热脱水结晶水合物制备相对应的无水盐时，由于水解生成的盐酸或硝酸挥发，促使了金属离子水解(水解反应为吸热反应)导致产品不纯
如：由MgCl2·6H2O制无水MgCl2要在HCl气流中加热，否则：MgCl2·6H2OMg(OH)2＋2HCl↑＋4H2O
4．控制pH的目的的答题思路
(1)pH调小：抑制某离子水解；防止某离子沉淀
(2)pH调大：确保某离子完全沉淀；防止某物质溶解等
【题组训练】
1．钒酸铋(BiVO4)是一种亮黄色无毒无害的光催化剂，主要应用于高选择性制备氢气。工业上以辉铋矿粉(主要成分是Bi2S3，并含Bi2O3、Bi、FeS2和SiO2等杂质)为原料制备钒酸铋(BiVO4)的流程如图所示：
已知部分信息如下：①氧化性：Fe3＋＞Bi3＋
②滤液1中的阴离子主要是Cl－
③常温下，几种离子生成氢氧化物沉淀的pH如下表所示：
氢氧化物 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Bi(OH)3
开始沉淀时的pH 7.6 1.6 4.0
完全沉淀时的pH 9.6 3.1 5.5
当溶液中某离子浓度小于1×10－5 mol/L时，视为沉淀完全
从工艺流程分析，氧化调pH环节，除了可用NaOH溶液，还可用　　　　　　调节，且需调至溶液的pH为
　　　　　　(填范围)
2．铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在，主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物，从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图所示：
已知：最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2O存在，在碱性介质中以CrO存在
回答下列问题：
(1)“沉淀”步骤调pH到弱碱性，滤渣主要成分是　　　　。
(2)“除硅磷”步骤中，使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀，该步需要控制溶液的pH≈9以达到最好的除杂效果，若pH＜9，会导致　　　　　　　　　　　　　　　　　；pH＞9时，会导致　　　　　　　
(3)“分离钒”步骤中，将溶液pH调到1.8左右得到V2O5沉淀，V2O5在pH＜1时，溶解为VO或VO3＋，在碱性条件下，溶解为VO或VO，上述性质说明V2O5具有　　　(填标号)
A．酸性 B．碱性 C．两性
3．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)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　　　、　　　　、　　　　
(2)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　　　　　　　　　　　　　
4．碲(Te)是重要的稀有元素，被誉为“现代高新技术材料的维生素”。一种从碲化镉废料中(主要成分为CdTe、CdS、SiO2)回收Te和Cd的工艺流程如图所示。
“沉镉”需在酸性环境中进行的原因是________
5．三氧化二钴(Co2O3)在工业、电子等领域都有着广阔的应用前景。以铜钴矿石[主要成分为CoO(OH)、CoCO3、Cu2(OH)2CO3和SiO2，还有少量铁、镁、钙的氧化物]为原料制备三氧化二钴(Co2O3)的工艺流程如图1所示
已知：常温下Ksp(FeS)＝6.3×10－18，Ksp(CuS)＝6.3×10－36，Ksp(CaF2)＝1.46×10－10，Ksp(MgF2)＝7.42×10－11。
回答下列问题：
“浸泡”工序中浸出温度和浸出pH对浸出率的影响分别如图2、图3所示
(1)矿石粉末“浸泡”的适宜条件应是　　　　　　　　　　　　　
(2)图3中铜、钴浸出率下降的可能原因是　　　　　　　　　　　　　
6．2023年，我国新能源汽车产销量占全球比重超过60%、连续9年位居世界第一位；新能源汽车出口120.3万辆，这一可喜成绩的获得离不开化学人的辛苦付出。锰酸锂离子蓄电池是第二代锂离子动力电池，性能优良。工业上用某软锰矿(主要成分为MnO2，还含有少量铁、铝及硅的氧化物)为原料制备锰酸锂(LiMn2O4)。流程如图：
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已知某离子浓度[用c(M)表示]形成沉淀与溶液pH关系，如下图所示
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试判断“精制”过程中，加MnO调节pH的范围是____________
7．污染物的有效去除和资源的充分利用是化学造福人类的重要研究课题。某研究小组利用软锰矿(主要成分为MnO2，另含有少量铁、铝、铜、镍等金属化合物)作脱硫剂，通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO2，又制得电池材料MnO2(反应条件已省略)。
用MnCO3能除去溶液中的Al3＋和Fe3＋，其原理是__________________________________________
8．锗(Ge)是门捷列夫在1871年所预言的元素“亚硅”，高纯度的锗已成为目前重要的半导体材料，其化合物在治疗癌症方面也有着独特的功效。如图是以锗锌矿(主要成分为GeO2、ZnS，另外含有少量的Fe2O3等)为主要原料生产高纯度锗的工艺流程：
已知：GeO2可溶于强碱溶液，生成锗酸盐；GeCl4的熔点为－49.5 ℃，沸点为84 ℃，在水中或酸的稀溶液中易水解
(1)步骤③沉锗过程中，当温度为90 ℃，pH为14时，加料量(CaCl2/Ge质量比)对沉锗的影响如表所示，选择最佳加料量为____________(填“10～15”“15～20”或“20～25”)
编号 加料量(CaCl2/Ge) 母液体积(mL) 过滤后滤液含锗(mg/L) 过滤后滤液pH 锗沉淀率(%)
1 10 500 76 8 93.67
2 15 500 20 8 98.15
3 20 500 2 11 99.78
4 25 500 1.5 12 99.85
(2)步骤⑤中选择浓盐酸而不选择稀盐酸的原因是___________________________
9．利用废镍电池的金属电极芯(主要成分为Co、Ni，还含少量Fe、Al等)生产醋酸钴晶体、硫酸镍晶体的工艺流程如下：
已知：部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：
沉淀物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Co(OH)2 Co(OH)3 Al(OH)3 Ni(OH)2
开始沉淀 2.2 7.4 7.6 0.1 4.0 7.6
完全沉淀 3.2 8.9 9.2 1.1 5.2 9.2
沉淀A的主要成分是Fe(OH)3、_______________，“浸出液”调节pH的范围为________________，调节pH选用的试剂可以是______________
a．铁　 b．氨水　　 c．碳酸钠溶液　　d．稀硫酸
10．MnCO3可用作电器元件材料，也可作为瓷釉、颜料的制作原料。工业上用酸性含锰废水(主要含Mn2＋、Cl－、H＋、Fe2＋、Cu2＋)制备MnCO3，回答下列问题；
已知：几种金属离子沉淀的pH如表
金属离子 Fe2＋ Fe3＋ Cu2＋ Mn2＋
开始沉淀的pH 7.5 3.2 5.2 8.8
完全沉淀的pH 9.7 3.7 6.4 10.4
(1)①中加入过量MnO2的作用是___________________________，滤渣W的成分是___________________
(2)过程③中，调pH的目的是_________________
11．硝酸铜晶体[Cu(NO3)2·6H2O]，是一种重要的化工原料，常用于农药、镀铜、搪瓷等工业。以辉铜矿(主要成分为Cu2S，含少量Fe2O3、SiO2等杂质)为原料制备硝酸铜晶体的某工艺如图所示。回答下列问题：
调节溶液pH时选用的物质a可以是___________，几种金属离子沉淀的pH范围如图2所示，“调pH”时应将溶液pH调至________～________
12．钛合金是航天航空工业的重要材料。由钛铁矿(主要成分为钛酸亚铁，化学式为FeTiO3)制备Ti等产品的一种工艺流程示意图如下：
已知：①TiO2＋易水解，只能存在于强酸性溶液中
②常温下，难溶电解质溶解度与pH关系如图
③25 ℃时TiO(OH)2溶度积Ksp＝1×10－29
(1)向“富含 TiO2＋溶液”中加入Na2CO3粉末的作用是_____________________________________________，TiO2＋水解的离子方程式为________________________，当溶液pH＝________时，TiO(OH)2已沉淀完全
(2)加入铁屑将Fe3＋转化为Fe2＋的原因是____________________________________
13．利用废镍电池的金属电极芯(主要成分为Co、 Ni，还含少量Fe、Al等)生产醋酸钴晶体、硫酸镍晶体的工艺流程如下。
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已知：部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：
沉淀物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Co(OH)2 Co(OH)3 Al(OH)3 Ni(OH)2
开始沉淀pH 2.2 7.4 7.6 0.1 4.0 7.6
完全沉淀pH 3.2 8.9 9.2 1.1 5.2 9.2
沉淀A的主要成分是Fe(OH)3、____________，“浸出液”调节pH的范围为________，调节pH选用的试剂可以是________(填字母)
a．铁　 b．氨水　 c．碳酸钠溶液　 d．稀硫酸
14．硫酸铅( PbSO4) 广泛应用于制造铅蓄电池、白色颜料等。工业生产中利用方铅矿(主要成分为 PbS, 含有FeS2等杂质)和软锰矿(主要成分为MnO2 ) 制备PbSO4的工艺流程如图：
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调 pH 的目的是________________________________
15．工业上回收利用某合金废料(主要含Fe、Cu、Co、Li等，已知Co、Fe都是中等活泼金属)的工艺流程如下：
加入H2O2的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　(用离子方程式表示)，加入氨水的作用是　　　　　 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
16．高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备，工艺如图所示。回答下列问题：
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相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：
金属离子 Mn2＋ Fe2＋ Fe3＋ Al3＋ Mg2＋ Zn2＋ Ni2＋
开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9
沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9
(1)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是_____________________________________
(2)“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为________～6之间
17．铈元素在自然界中主要以氟碳铈矿的形式存在，其主要化学成分为CeFCO3。工业上利用氟碳铈矿提取CeCl3的一种工艺流程如下：
INCLUDEPICTURE "E:\\张红\\2019\\大二轮\\考前三个 化学通用\\WORD\\K503.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "E:\\张红\\2019\\大二轮\\考前三个 化学通用\\全书完整的Word版文档\\第二篇\\K503.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "E:\\2019赵瑊\\看PPT\\考前三个月 化学 通用\\全书完整的Word版文档\\第二篇\\K503.TIF" \* MERGEFORMATINET
加热CeCl3·6H2O和NH4Cl的固体混合物可得固体无水CeCl3，其中NH4Cl的作用是_____________________
18．我国某地粉煤灰中主要含有Al2O3，除此之外还含有Ga2O3及少量Fe2O3、CaO、MgO和SiO2等物质。已知从粉煤灰中回收铝并提取镓的工艺流程如下所示：
电解过程中，Ga3＋与NaOH溶液反应生成GaO，GaO在阴极放电，则电解方程式：_____________________；电解过程中需要保持溶液为pH＝11以上的原因是______________________________________
【热点题空2 化工生产物质转化过程中pH条件的控制】答案
1．Bi2O3、氨水、Bi(OH)3等　3.1≤pH＜4.0
解析：加入NaOH的目的是反应掉溶液中的H＋，使Fe3＋转化为氢氧化铁沉淀，除了可用NaOH溶液，还可用Bi2O3、氨水、Bi(OH)3等，根据表格中几种离子生成氢氧化物沉淀的pH，调节溶液的pH范围为3.1≤pH＜4.0。
2．(1)Al(OH)3　
(2)磷酸根与H＋反应使其浓度降低，MgNH4PO4无法完全沉淀，同时可能产生硅酸胶状沉淀　镁离子生成氢氧化镁沉淀，不能形成MgSiO3沉淀，同时溶液中铵根离子浓度降低，MgNH4PO4无法完全沉淀　
(3)C
解析：(1)由分析可知，沉淀步骤调pH到弱碱性的目的是将Al元素转化为氢氧化铝沉淀；(2)由分析可知，加入硫酸镁溶液、硫酸铵溶液的目的是将硅元素、磷元素转化为MgSiO3和MgNH4PO4沉淀，若溶液pH＜9，磷酸根会与H＋反应使其浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀，同时可能产生硅酸胶状沉淀不易处理；若溶液pH＞9，镁离子生成氢氧化镁沉淀，不能形成MgSiO3沉淀，导致产品中混有杂质，同时溶液中铵根离子浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀；(3)由题给信息可知，五氧化二钒是既能与酸溶液反应生成盐和水，也能与碱溶液反应生成盐和水的两性氧化物。
3．(1)B　Fe(OH)3　CaSO4　SiO2
(2)3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋
解析：(1)NH3·H2O易分解产生NH3污染空气，且经济成本较高，A不适宜；Ca(OH)2不会引入新的杂质，且成本较低，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10－5 mol/L)，结合表格Ksp计算各离子完全沉淀时pH＜5的只有Fe3＋，故滤渣①中有Fe(OH)3，CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故滤渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；(2)向80～90 ℃滤液①中加入KMnO4溶液，可氧化Fe2＋，得到含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＋。
4．抑制Cd2＋水解　
解析Cd2＋易水解，“沉镉”时保持溶液呈酸性的原因是抑制Cd2＋水解
5．(1)温度为65 ℃～75 ℃、pH为0.5～1.5　
(2)pH升高后溶液中c(H＋)下降，使得溶解CoO(OH)、CoCO3、Cu2(OH)2CO3的能力下降
解析：①(1)分析图2、图3，矿石粉末“浸泡”时的浸出率最高时温度为65 ℃～75 ℃，pH为0.5～1.5。
(2)pH升高后溶液中H＋浓度下降，使得溶解CoO(OH)、CoCO3、Cu2(OH)2CO3的能力下降，导致铜、钴浸出率下降。
6．5.2≤pH<8.8
7．MnCO3消耗溶液中的H＋，促进Al3＋和Fe3＋水解，生成氢氧化物沉淀 　
解析：Al3＋和Fe3＋都能水解，生成H＋和对应的氢氧化物，H＋与MnCO3反应，H＋被消耗，促进Al3＋和Fe3＋进一步水解，最后Al3＋和Fe3＋形成氢氧化物沉淀
8．(1)20～25　
(2)GeCl4在稀盐酸中易水解
解析：(1)由表格数据可知，加料量在20～25范围内时，锗沉淀率最高，则最佳加料量为20～25；(2)由题给信息可知，四氯化锗在水中或酸的稀溶液中易水解，所以步骤⑤中选择浓盐酸分离的目的是防止四氯化锗在稀盐酸中发生水解。
9．Al(OH)3　5.2～7.6　bc
10．(1)将Fe2＋氧化为Fe3＋　Fe(OH)3和过量的MnO2
(2)使Cu2＋完全沉淀为Cu(OH)2
解析：(1)在过程①中，MnO2在酸性条件下可将Fe2＋氧化为Fe3＋，在过程②中，向溶液中加入氨水，调节溶液的pH＝3.7，这时溶液中的Fe3＋会形成Fe(OH)3沉淀，过量的MnO2也以固体形式存在。(2)过程③中，调pH是将Cu2＋转化为沉淀除去
11．CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3　3.2　4.7
解析：调节溶液pH时，主要利用加入的物质消耗Fe3＋水解生成的氢离子，使其水解程度增大而转化为沉淀，为防止引入新的杂质，物质a可以是CuO或Cu(OH)2 或Cu2(OH)2CO3；“调pH”时应将溶液中Fe3＋全部沉淀，而Cu2＋不能沉淀，因此要将溶液pH调至3.2～4.7。(5)从溶液得到晶体，一般的操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。
12．(1)调节溶液pH，促进TiO2＋水解　TiO2＋＋2H2OTiO(OH)2↓＋2H＋　2
(2)避免Fe3＋和TiO2＋同时沉淀
解析：(1)滤液中含有大量的TiO2＋，向该溶液中加入Na2CO3粉末，调整溶液的酸碱性，促进TiO2＋的水解，由图像可知当溶液的pH＝2.5 时，TiO(OH)2已经完全沉淀。(2)若不加入铁屑，就会同时产生TiO(OH)2和Fe(OH)3导致制取的物质纯度不高，所以加入铁屑将Fe3＋转化为Fe2＋，避免Fe3＋和TiO2＋同时沉淀。
13．Al(OH)3　5.2≤pH<7.6　bc　
解析　金属电极芯中的主要成分是Co、Ni，还含少量Fe、Al等，加入稀硫酸酸浸时，金属单质都转化为金属离子(Ni2＋、Co2＋、Fe2＋、Al3＋)，浸出液中加入过氧化氢的作用是氧化亚铁离子为铁离子，由流程图中最终产物可知，调节pH的作用是除去溶液中的Fe3＋、Al3＋，故沉淀A的主要成分是Fe(OH)3、Al(OH)3；为了保证Fe3＋、Al3＋沉淀完全而Ni2＋、Co2＋不沉淀，由表格数据可知，要调节pH的范围为5.2≤pH<7.6；调节pH时不能加入铁，因为铁能还原铁离子为亚铁离子，不能加入稀硫酸，因为要将溶液的pH调大，由流程图中后续所加试剂可知，调节pH选用的试剂可以是氨水、碳酸钠溶液。
14．使 Fe3＋ 沉淀而除去　
解析：调节pH的主要目的是使Fe3＋转化为沉淀，从而除去
15．2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O　调节溶液的pH，使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀
解析：加入H2O2的作用是氧化亚铁离子为铁离子，反应的离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O；加入氨水的作用是调节溶液pH，使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀
16．(1)将Fe2＋氧化为Fe3＋　
(2)4.7　
解析：(1)“溶浸”后溶液中含Fe2＋，“氧化”中加入的适量MnO2能将Fe2＋氧化为Fe3＋。(2)“调pH”除去Fe3＋和
Al3＋时，结合表格中数据信息可知需控制溶液的pH在4.7～6之间
17．分解产生HCl，抑制CeCl3的水解
解析：加热CeCl3·6H2O和NH4Cl的固体混合物可得固体无水CeCl3，其中NH4Cl的作用是分解产生HCl，抑制CeCl3的水解。
18．4GaO＋2H2O4Ga＋3O2↑＋4OH－ 抑制GaO水解，并阻止H＋在阴极放电降低电解效率
解析：电解过程中，GaO中Ga元素从＋3价降低至0价，发生还原反应生成Ga，阳极为水失去电子生成氧气，电解总反应为4GaO＋2H2O4Ga＋3O2↑＋4OH－；GaO属于弱酸阴离子，能够发生水解生成Ga(OH)3，会降低产率，若溶液酸度过高，则溶液中H＋可能会发生还原反应生成H2，会降低阴极电解效率。
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