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2026人教版高中化学选择性必修1
第三章　水溶液中的离子反应与平衡
题型整合练　工艺流程中的离子反应与平衡
题型1　工艺流程中的反应条件控制及陌生方程式的书写
1.(2024山东泰安期中节选)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,回答下列问题:
已知:①步骤Ⅳ发生的反应为3[2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O]+
10H3PO4 5[Zn3(PO4)2·4H2O]+6CO2↑+10H2O;②在酸性较强溶液中,高锰酸钾为氧化剂,还原产物为Mn2+。
(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　　　　　。
题型2　工艺流程中的定性分析与定量计算
2.(2024北京汇文中学期中节选)红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)可用于制备制革产业中的铬鞣剂。对含铬污泥进行酸浸处理后,得到浸出液(主要含Na+、Ni2+、Cr3+、H+、Cr2),经过如下主要流程,可制得红矾钠。
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范围如下:
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)过程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)过程Ⅲ中,H2O2氧化Cr(OH)3的离子方程式为　　　　　　　。
(5)为了测定获得的红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)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(摩尔质量为298 g·mol-1)的纯度为
　　　　　　　　　　　　(用质量分数表示)。
3.(2024河北唐山期末节选)钛酸钡(BaTiO3)是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”。以BaSO4为原料制备BaTiO3的工业流程如下:
已知:①Ti元素在不同pH条件下的存在形式如下。
pH <4 4~7 >7
存在形式 Ti4+ TiO2+ TiO2
②焙烧后的产物为BaS和CO,BaS可溶于水,CaS微溶于水。
③Kb(NH3·H2O)=1.8×10-5,Ka1(H2C2O4)=5.6×10-2,Ka2(H2C2O4)=1.5×10-4,
Ksp(BaF2)=1.8×10-7,Ksp(CaF2)=2.7×10-11。
回答下列问题:
(3)“除钙”步骤完成后溶液中c(Ba2+)=0.2 mol·L-1,则c(Ca2+)=
　　 　mol·L-1。
(4)(NH4)2C2O4溶液显　　　　性(填“酸”“碱”或“中”),“沉钛”步骤中不可用Na2C2O4溶液代替(NH4)2C2O4的原因是　　　　　　　　。
(5)“沉钛”步骤生成BaTiO(C2O4)2的化学方程式为　　　　　　。
题型3　工艺流程中的分离与提纯
4.(2024福建泉州统考节选)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 1.6×10-17 2.7×10-31 4.9×10-17 2.8×10-39
(1)已知浸出渣的主要成分是SiO2和一种盐,加入的“溶液X”中溶质是　　　　(写化学式,下同),生成的盐是　　　　。
(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”),加入试剂Y时发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　。
5.(甄选真题)(2024新课标)钴及其化合物在制造合金、磁性材料、催化剂及陶瓷釉等方面有着广泛应用。一种从湿法炼锌产生的废渣(主要含Co、Zn、Pb、Fe的单质或氧化物)中富集回收得到含锰高钴成品的工艺如下:
已知溶液中相关离子开始沉淀和沉淀完全(c≤1.0×10-5mol·L-1)时的pH:
Fe3+ Fe2+ Co3+ Co2+ Zn2+
开始沉淀的pH 1.5 6.9 — 7.4 6.2
沉淀完全的pH 2.8 8.4 1.1 9.4 8.2
回答下列问题:
(1)“酸浸”前废渣需粉碎处理,目的是　　　　　　　　　　　;“滤渣1”中金属元素主要为　　　　。
(2)“过滤1”后的溶液中加入MnO2的作用是　　　　　　　　,取少量反应后的溶液,加入化学试剂　　　　检验　　　　,若出现蓝色沉淀,需补加MnO2。
(3)“氧化沉钴”中氧化还原反应的离子方程式为　　　　　　　　　、
　　　　　　　　　　　　。
(4)“除钴液”中主要的盐有　　　　(写化学式),残留的Co3+浓度为　　　　mol·L-1。
答案与分层梯度式解析
1.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↑。
方法规律　 工艺流程类试题中化学方程式的书写
(1)分析流程图中的反应物:包括原料、加入的物质及溶液酸碱性。
(2)看生成物:包括目标产物和杂质。
(3)书写、配平:灵活运用原子守恒和得失电子守恒书写及配平陌生反应的化学方程式。
2.答案　(1)C　(2)2Cr(OH)3+3H2O2+4OH- 2Cr+8H2O　(5)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内不复色　②×100%
解析　(1)过程Ⅱ中,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+6价,在碱性溶液中存在形式主要为Cr,故离子方程式为2Cr(OH)3+3H2O2+4OH- 2Cr+8H2O。
(5)①Cr2与KI溶液在酸性环境下充分反应有I2生成,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内不复色。
②由反应Cr2+6I-+14H+ 2Cr3++3I2+7H2O和I2+2S2 2I-+S4得到关系式Cr2,n(Cr2)==() mol= mol,纯度为×100%。
3.答案　(3)3×10-5
(4)酸　Na2C2O4溶液呈碱性,易生成TiO2而降低产品的纯度
(5)BaCl2+TiCl4+H2O+2(NH4)2C2O4 BaTiO(C2O4)2↓+2HCl+4NH4Cl
解析　(3)Ksp(BaF2)=c(Ba2+)·c2(F-)=1.8×10-7,当c(Ba2+)=0.2 mol·L-1时,c(F-)= mol·L-1,根据Ksp(CaF2)=c(Ca2+)·c2(F-)=2.7×10-11,解得c(Ca2+)= mol·L-1=3×10-5 mol·L-1。
(4)N水解平衡常数:Kh=;C2水解平衡常数:Kh=,N的水解程度大于C2的水解程度,(NH4)2C2O4溶液呈酸性;“沉钛”步骤中不可用Na2C2O4溶液代替(NH4)2C2O4的原因是Na2C2O4溶液呈碱性,易生成TiO2而降低产品的纯度。
(5)“沉钛”过程中,BaCl2、TiCl4和(NH4)2C2O4发生反应,化学方程式为BaCl2+TiCl4+H2O+2(NH4)2C2O4 BaTiO(C2O4)2↓+2HCl+4NH4Cl。
4.答案　(1)H2SO4　PbSO4
(2)5.48≤pH<6.6
(3)NaOH溶液　Ga(OH)3+OH- [Ga(OH)4]-
解析　(1)通过“浸出”除去Si、Pb元素,不溶于水的盐为PbSO4,判断溶液X为H2SO4溶液(破题关键),从后续流程浸出液加H2O2调pH后,过滤得ZnSO4溶液,验证溶液X为H2SO4溶液,生成的盐为PbSO4。
(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(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(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(解题技法)。
(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为NaOH溶液,发生的离子反应为Ga(OH)3+OH- [Ga(OH)4]-。
5.答案　(1)增大废渣与H2SO4的接触面积,使酸浸更快、更充分　Pb
(2)将Fe2+氧化为Fe3+　K3[Fe(CN)6]溶液　Fe2+
(3)3Co2++Mn+7H2O 3Co(OH)3↓+MnO2↓+5H+　3Mn2++2Mn+2H2O 5MnO2↓+4H+
(4)ZnSO4、K2SO4　10-16.7
解析　(1)“酸浸”前废渣需粉碎处理,目的是增大废渣与H2SO4的接触面积,使酸浸更快、更充分;“滤渣1”主要成分是PbSO4,金属元素主要为Pb。
(2)“过滤1”后的溶液中加入MnO2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+;取少量反应后的溶液,加入K3[Fe(CN)6]溶液检验Fe2+是否完全被氧化为Fe3+,若出现蓝色沉淀,需补加MnO2。
(3)由题给流程图可知,“氧化沉钴”中氧化还原反应的离子方程式为3Co2++Mn+7H2O 3Co(OH)3↓+MnO2↓+5H+、3Mn2++2Mn+2H2O 5MnO2↓+4H+。
(4)“除钴液”中主要含有Zn2+、K+、H+、S,则“除钴液”中主要含有的盐有ZnSO4、K2SO4;已知c≤1.0×10-5 mol·L-1时离子沉淀完全,Co3+沉淀完全时的pH=1.1,c(H+)=10-1.1 mol·L-1,c(OH-)=10-12.9 mol·L-1,Ksp[Co(OH)3]=c(Co3+)·c3(OH-)=1.0×10-5×(10-12.9)3=1.0×10-43.7,“氧化沉钴”的pH=5,c(H+)=10-5 mol·L-1,c(OH-)=10-9 mol·L-1,c(Co3+)·(10-9)3=1.0×10-43.7,则c(Co3+)=10-16.7 mol·L-1。
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