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题型整合练　工艺流程中的离子反应与平衡
题型一　工艺流程中的分离与提纯
1.一种磁性材料的磨削废料的主要成分是铁镍合金(含镍质量分数约21%),还含有铜、钙、镁、硅的氧化物。由该废料制备氢氧化镍,工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)“除铁”时H2O2的作用是　　　,加入碳酸钠的目的是　　　　。
(2)“除铜”时,反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　,若用Na2S代替H2S除铜,优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)已知“除钙镁”过程在陶瓷容器中进行,NaF的实际用量不能过多的理由为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
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Cr2存在,在碱性介质中以Cr存在。
回答下列问题:
(1)水浸渣中主要有SiO2和　　　　　。
(2)“沉淀”步骤调pH到弱碱性,主要除去的杂质是　　　　　。
(3)“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时,会导致　　　　　　　　　 　　　　;pH>9时,会导致　　　　　　　　　　　　　　　　　。
题型二　工艺流程中的反应条件控制及陌生方程式的书写
3.四水合磷酸锌[Zn3(PO4)2·4H2O]难溶于水,是一种性能优良的绿色环保防锈颜料。实验室以锌灰(含ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2)为原料制备Zn3(PO4)2·4H2O并回收铜的流程如下:
已知:①步骤Ⅳ反应为3[2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O]+10H3PO4 5[Zn3(PO4)2·4H2O]+6CO2↑+10H2O;②在酸性较强的溶液中,高锰酸钾作氧化剂时还原产物为Mn2+。
回答下列问题:
(1)步骤Ⅰ中滴加KMnO4溶液反应的离子方程式为　　　　　　　　　　,若将步骤Ⅰ中两种试剂加入顺序调换会导致　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)试剂a为　　　　　。步骤Ⅲ反应的化学方程式为　　　　　　。
4.镓的化合物性质与铝的相似。工业上常从锌矿渣(主要含Zn、Si、Pb、Fe、Ga的氧化物。其中Pb、Fe均以+2价形式存在,Ga以+3价形式存在)中回收镓。流程如下:
已知:①lg2=0.3,lg3=0.48
②部分物质的Ksp如表所示。
物质 Zn(OH)2 Ga(OH)3 Fe(OH)2 Fe(OH)3
Ksp 1.6× 10-17mol3·L-3 2.7× 10-31mol4·L-4 4.9× 10-17 mol3·L-3 2.6× 10-39 mol4·L-4
回答下列问题:
(1)已知浸出渣的主要成分是SiO2和一种盐,加入的“溶液X”是
　　　　　(写化学式,下同),生成的该盐是　　　　　。
(2)室温下,当溶液中某种离子浓度小于1.0×10-5 mol·L-1时,认为该离子沉淀完全。若浸出液中阳离子浓度均为0.01 mol·L-1,则应调pH的范围为　　　　　。
(3)试剂Y为　　　　　(填“NaOH溶液”或“氨水”)。
题型三　工艺流程中的定量计算
5.对含铬污泥进行酸浸处理后,得到浸出液(含Na+、Ni2+、Cr3+、H+、Cr2),经过如下主要流程,可制得红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O),实现铬资源的有效循环利用。
已知:ⅰ.Cr(Ⅵ)溶液中存在平衡:Cr2+2H+
ⅱ.相关金属离子形成氢氧化物沉淀的pH如下:
金属离子 开始沉淀的pH 沉淀完全的pH
Cr3+ 4.3 5.6
Ni2+ 7.1 9.2
(1)Ⅱ中,加入NaOH调节pH至　　　　　　　　　(填字母)。
A.4.3~5.6　B.4.3~7.1　C.5.6~7.1　D.7.1~9.2
(2)Ⅲ中,H2O2氧化Cr(OH)3沉淀的离子反应为　　　　　　　。
(3)为了测定红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)的纯度,称取上述流程中的产品a g配成100 mL溶液,取出25 mL放于锥形瓶中,加入稀硫酸和足量的KI溶液,置于暗处充分反应至Cr2全部转化为Cr3+后,滴入2~3滴淀粉溶液,最后用浓度为c1 mol·L-1的Na2S2O3标准溶液滴定,共消耗V1 mL。(已知:I2+2S2。)
①滴定终点的现象为　　　　　　　　　　　　　　　。
②所得Na2Cr2O7·2H2O的纯度表达式为　　　　　　　　　(用质量分数表示)。
6.利用某钴矿石(主要成分为Co2O3)制取Co(OH)2粗品的工艺流程如图1所示。
已知:浸出液中含有的阳离子主要有H+、Cu2+、Co2+、Fe2+、Mg2+。回答下列问题:
(1)钴矿石浸出时加入Na2SO3的目的为　　　　　　　　　　　　　。
(2)溶液中lgc(X)(X表示Fe3+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Mg2+、Ca2+)与pH的变化关系如图2所示(离子浓度小于10-5 mol·L-1时可认为已除尽),在萃后余液中通入空气的目的是　　　　　　　　　　　　　　,用熟石灰调pH至3.2,过滤1所得滤渣的主要成分为　　　　。
(3)用MgO调滤液1的pH为9.1时,得到的Co(OH)2粗品中含有的主要杂质为　　　　　,多次洗涤可提高粗产品中钴含量。“过滤2”后所得滤液直接排放会造成水体污染,须进行处理,用熟石灰调节pH使c(Mg2+)≤10-5 mol·L-1,则Ksp[Mg(OH)2]=　　　　 mol3·L-3。
答案与分层梯度式解析
1.答案　(1)将Fe2+氧化为Fe3+　调节溶液的pH,使Fe3+完全沉淀为黄钠铁矾渣
(2)H2S+Cu2+ CuS↓+2H+　无易挥发的有毒气体H2S逸出,可保护环境
(3)“除钙镁”过程的溶液呈酸性,若NaF过量,会生成HF,HF会腐蚀陶瓷容器
解析　(1)“酸溶”时,硅的氧化物与硫酸、硝酸均不反应,“酸溶”后所得滤液中可能含有Fe3+、Fe2+、Ni2+、Cu2+、Mg2+、Ca2+等,“除铁”时H2O2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+;加入碳酸钠的目的是调节溶液的pH,使Fe3+完全沉淀为黄钠铁矾渣。
(2)“除铜”时通入H2S,将Cu2+沉淀,反应的离子方程式为H2S+Cu2+ CuS↓+2H+。H2S为易挥发的有毒气体,若用Na2S代替H2S除铜,可保护环境。
题型解读
化学工艺流程是将化工生产过程中主要生产阶段以流程框图形式呈现出来,该类试题以陌生元素或陌生化合物为载体,综合考查元素化合物的性质、陌生化学方程式的书写、残渣或废液成分的判断、反应条件的控制与选择、物质分离提纯的方法、产率的计算、Ksp的应用、绿色化学思想等。题目综合性强,难度大,将化学与社会、生产、生活联系起来,旨在考查考生阅读提取信息,知识迁移的能力,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
2.答案　(1)Fe2O3　(2)Na[Al(OH)4]　(3)磷酸根离子与H+反应使其浓度降低,导致磷酸根离子无法以MgNH4PO4的形式完全沉淀,同时可能产生硅酸胶状沉淀不易处理　镁离子形成氢氧化镁沉淀,无法彻底除去含硅杂质,同时溶液中铵根离子浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀
解析　(1)煅烧后,含铁杂质会转化为Fe2O3,Fe2O3不与Na2CO3、NaOH反应,也不溶于水。
(2)煅烧后含铝化合物以[Al(OH)4]-形式存在,“沉淀”步骤加硫酸调节溶液到弱碱性,会发生反应[Al(OH)4]-+H+ Al(OH)3↓+H2O,主要除去[Al(OH)4]-。
3.答案　(1)Mn+3Fe2++7H2O MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+　在产物中引入杂质元素Mn
(2)稀硫酸　5ZnSO4+10NH4HCO3 2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O↓+5(NH4)2SO4+8CO2↑
解析　流程分析
(1)由分析知,滴加KMnO4溶液,使溶液中的Fe2+转化为Fe(OH)3,离子方程式为Mn+3Fe2++7H2O MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+;在酸性较强的溶液中,KMnO4的还原产物为Mn2+,若将步骤Ⅰ中两种试剂加入顺序调换会导致在产物中引入杂质元素Mn。
(2)滤渣Ⅱ的成分为过量的锌和置换出来的铜,根据流程可知,试剂a为稀硫酸;结合题中步骤Ⅳ的反应,步骤Ⅲ中加入NH4HCO3和Zn2+反应应生成2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O沉淀,化学方程式为5ZnSO4+10NH4HCO3 2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O↓+5(NH4)2SO4+8CO2↑。
4.答案　(1)H2SO4　PbSO4
(2)5.48≤pH<6.6
(3)NaOH溶液
解析　流程分析
(1)通过“浸出”除去Si、Pb元素,常见不溶于水的含铅的盐为PbSO4,判断溶液X为硫酸溶液。
(2)调pH的目的是使Fe3+、Ga3+沉淀完全而Zn2+不沉淀,Ga3+完全转化为Ga(OH)3时c平(OH-)= mol·L-1=3×10-9 mol·L-1,则pH=5.48;浸出液中c(Zn2+)=0.01 mol·L-1,生成Zn(OH)2时c平(OH-)= mol·L-1=4×10-8 mol·L-1,则pH=6.6,故应调pH范围为5.48≤pH<6.6。
(3)滤渣为Ga(OH)3、Fe(OH)3,加入试剂Y的目的是使Ga(OH)3溶解从而与Fe(OH)3分离,故试剂Y应为强碱溶液,则选NaOH溶液。
5.答案　(1)C　
(2)2Cr(OH)3+3H2O2+4OH- 2Cr+8H2O
(3)①滴入最后半滴Na2S2O3标准溶液后,溶液由蓝色变为无色,且30 s内颜色不恢复　
②×100%
解析　(1)过程Ⅱ,加入NaOH调节pH的目的是使Cr3+完全转化为Cr(OH)3沉淀,与杂质Ni2+等分离,调节pH不能使Ni2+生成Ni(OH)2沉淀,则pH范围为5.6~7.1。
(2)H2O2氧化Cr(OH)3,铬元素化合价升高为Cr(Ⅵ),在碱性溶液中存在形式主要为Cr,故离子反应为2Cr(OH)3+3H2O2+4OH- 2Cr+8H2O。
(3)①Cr2与KI溶液在酸性环境下充分反应生成I2,I2遇淀粉变蓝,随Na2S2O3标准溶液的滴入蓝色变浅,恰好完全反应时蓝色消失,且30 s内颜色不恢复。
②由反应Cr2,计算n(Cr2)=×× mol,纯度为×100%=×100%。
6.答案　(1)将Co3+还原为Co2+
(2)将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+　Fe(OH)3
(3)CaSO4、MgSO4　10-10.8
解析　(1)钴矿石主要成分为Co2O3,利用Co2O3制取Co(OH)2,需使Co3+转化为Co2+,因此加入Na2SO3的目的为将Co3+还原为Co2+。
(2)在萃取余液中通入空气的目的是将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+,当pH=3.2时,Fe3+生成Fe(OH)3,过滤1所得滤渣的主要成分为Fe(OH)3。
(3)用MgO调滤液1的pH为9.1时,得到Co(OH)2粗品,结合流程中加入熟石灰和氧化镁可知,得到的Co(OH)2粗品中主要杂质为CaSO4、MgSO4;“过滤2”后所得滤液用熟石灰调节pH使c(Mg2+)≤10-5 mol·L-1,根据题图2中Mg2+完全沉淀时pH=11.1(常温下),此时c(OH-)=10-2.9 mol·L-1,Ksp[Mg(OH)2]=10-5 mol·L-1×(10-2.9 mol·L-1)2=10-10.8 mol3·L-3。
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