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专题三　化工流程大题中的常考热点
热点一　物质转化条件的控制与循环物质
1.(2024·山东卷)以铅精矿(含PbS、Ag2S等)为主要原料提取金属Pb和Ag的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)溶液中盐酸浓度不宜过大,除防止“热浸”时HCl挥发外,另一目的是防止产生　　　　(填化学式)。
(2)将“过滤 Ⅱ ”得到的PbCl2沉淀反复用饱和食盐水热溶,电解所得溶液可制备金属Pb,“电解I”阳极产物用尾液吸收后在工艺中循环使用,利用该吸收液的操作单元为　　　　。
(3)“还原”中加入铅精矿的目的是　　　　。
2.(2024·黑吉辽卷)中国是世界上最早利用细菌冶金的国家。已知金属硫化物在“细菌氧化”时转化为硫酸盐,某工厂用细菌冶金技术处理载金硫化矿粉(其中细小的 Au颗粒被FeS2、FeAsS包裹),以提高金的浸出率并冶炼金,工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)北宋时期我国就有多处矿场利用细菌氧化形成的天然“胆水”冶炼铜,“胆水”的主要溶质为　　　　　　(填化学式)。
(2)“细菌氧化”中,FeS2发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　。
(3)“沉铁砷”时需加碱调节pH,生成　　　　　(填化学式)胶体起絮凝作用,促进了含As微粒的沉降。
(4)“焙烧氧化”也可提高“浸金”效率,相比“焙烧氧化”,“细菌氧化”的优势为　　　　(填标号)。
A.无需控温
B.可减少有害气体产生
C.设备无需耐高温
D.不产生废液废渣
(5)“真金不怕火炼”,表明Au难被O2氧化,“浸金”中NaCN的作用为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(6)“沉金”中Zn的作用为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(7)滤液②经H2SO4酸化,[Zn(CN)4]2-转化为ZnSO4和HCN的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
用碱中和HCN可生成　　　　　　(填溶质化学式)溶液,从而实现循环利用。
高考热点:工艺以及原料循环利用等流程中通过调节pH、调节温度 ,加入某种物质促使向产品物质进行转化,是高考必考内容。主要考查:
(1)工艺流程中的条件控制。
(2)不同循环物质的判断等。
1.反应条件的控制及目的
条件控制 目的
反应物用 量或浓度 ①酸浸时提高酸的浓度可提高矿石中某金属元素的浸取率;②增大便宜、易得的反应物的浓度,可以提高其他物质的利用率,使反应充分进行;③增大物质浓度可以加快反应速率,使平衡发生移动等
控制溶液 的pH ①调节溶液的酸碱性,使金属离子形成氢氧化物沉淀析出(或抑制水解) ②“酸作用”还可除去氧化物(膜) ③“碱作用”还可除去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅等 ④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)
控制温度(常 用水浴、冰水 浴或油浴) ①防止副反应的发生 ②使化学平衡移动;控制化学反应的方向 ③控制固体的溶解与结晶 ④控制反应速率;使催化剂达到最大活性 ⑤升温:促进溶液中的气体逸出,使某物质达到沸点挥发 ⑥加热煮沸:促进水解,聚沉后利于过滤分离 ⑦趁热过滤:减少因降温而析出的溶质的量 ⑧降温:防止物质高温分解或挥发
2.可循环利用物质的判断
(1)流程图中回头箭头的物质。
(2)生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步反应的相关物质。
①从流程需要加入的物质去找
先观察流程中需要加入的物质,再研究后面的流程中有没有生成此物质。
②从能构成可逆反应的物质去找
可逆反应的反应物不能完全转化,应该回收再利用。
③从过滤后的母液中寻找
析出晶体经过过滤后的溶液称为母液,母液是该晶体溶质的饱和溶液,应该循环再利用。
1.BiOCl为白色结晶性粉末,溶于酸,不溶于水,可用作医药、化妆品方面的增白收敛剂。某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl,工艺流程如图所示。
已知:①联合焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3;②2BiOCl+2OH-===2Cl-+H2O+Bi2O3。
为提高联合焙烧效率,可采取的措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(任写一种),
实验室中焙烧用到的主要仪器有三脚架、泥三角、酒精灯、　　　　。
2.(2025·安徽滁州一模)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:
(1)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
试判断“精制”过程中,加MnO调节pH的范围是　　　　　　。
(2)“控温、氧化”过程中,溶液温度不宜过高,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
3.钛及其合金是制造飞机、火箭等的优异材料。工业上以钛铁矿(主要成分为FeTiO3,含Fe、Si、Al的氧化物等杂质)制备钛和Fe3O4·xH2O的工艺流程如图所示:
①25 ℃时相关物质的Ksp见下表:
物质 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Al(OH)3
Ksp 1×10-16.3 1×10-38.6 1×10-32.3
②Ⅰ.TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g),KⅠ=3.4×10-29
Ⅱ.2C(s)+O2(g)2CO(g),KⅡ=1.2×1048
Ⅲ.“酸浸”时Ti元素转化为TiO2+
(1)“还原”操作单元加入过量铁粉的两个作用是　　　　　　　　　　　　。
(2)通过计算说明“高温、氯化”操作单元加入碳粉的理由:　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)该工艺流程中可以循环利用的物质是　　　　　　(填化学式)。
热点二　物质的分离提纯
1.(2024·湖北卷)铍用于宇航器件的构筑。一种从其铝硅酸盐[Be3Al2(SiO3)6]中提取铍的路径为:
已知:Be2++4HABeA2(HA)2+2H+
回答下列问题:
(1)为了从“热熔冷却”步骤得到玻璃态,冷却过程的特点是　　　　　　　　　　　　。
(2)“萃取分液”的目的是分离Be2+和Al3+,向过量烧碱溶液中逐滴加入少量“水相1”的溶液,观察到的现象是　　　　　　　　　　　　。
(3)写出反萃取生成Na2[Be(OH)4]的化学方程式　　　　　　　　　　　　。
“滤液2”可以进入　　　　　　步骤再利用。
2.(2025·山东卷)采用两段焙烧-水浸法从铁锰氧化矿(主要含Fe2O3、MnO2及Co、Cu、Ca、Si等元素的氧化物)分离提取Cu、Co、Mn等元素,工艺流程如下:
已知:该工艺条件下,(NH4)2SO4低温分解生成NH4HSO4,高温则完全分解为气体;Fe2(SO4)3在650 ℃完全分解,其他金属硫酸盐分解温度均高于700 ℃。
回答下列问题:
(1)“低温焙烧”时金属氧化物均转化为硫酸盐。MnO2与NH4HSO4反应转化为MnSO4时有N2生成,该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
“高温焙烧”温度为650 ℃,“水浸”所得滤渣主要成分除SiO2外还含有　　　　　　(填化学式)。
(2)在(NH4)2SO4投料量不变的情况下,与两段焙烧工艺相比,直接“高温焙烧”,“水浸”时金属元素的浸出率　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)HR萃取Cu2+的反应为:2HR(有机相)+Cu2+(水相)CuR2(有机相)+2H+(水相)。“反萃取”时加入的试剂为　　　　　　(填化学式)。
(4)“沉钴”中,pH=4时 Co2+恰好沉淀完全[c(Co2+)=1×10-5 mol·L-1],则此时溶液中c(H2S)=　　　　　　 mol·L-1。已知:
(H2S)=1×10-7,(H2S)=1×10-13,
Ksp(CoS)=4×10-21。CoS“溶解”时发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(5)“沉锰”所得滤液并入“吸收”液中,经处理后所得产品导入　　　　　　(填操作单元名称)循环利用。
高考热点:化学工艺流程题是高考的热点题型,通常以物质的提纯和制备为背景。主要考查:
(1)原材料的处理。
(2)常见物质分离提纯的方法操作等。
1.常考分离、提纯的操作
(1)从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法:蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤→干燥→称量。
(2)从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法:蒸发浓缩→趁热过滤(如果温度下降,杂质也会以晶体的形式析出来)→洗涤→干燥→称量。
(3)减压蒸发的原因:减压蒸发降低了蒸发温度,可以防止某物质分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)或失去结晶水(如题目要求制备结晶水合物产品)。
(4)洗涤
洗涤试剂 适用范围 目的
蒸馏 水 冷水 产物不溶于水 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为溶解而造成的损失
热水 有特殊的物质其溶解度随着温度升高而下降 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为温度变化溶解而造成的损失
有机溶剂 (酒精、丙酮等) 固体易溶于水、难溶于有机溶剂 减少固体溶解;利用有机溶剂的挥发性除去固体表面的水分,产品易干燥
饱和溶液 对纯度要求不高的产品 减少固体溶解
酸、碱溶液 产物不溶于酸、碱 除去固体表面吸附着的可溶于酸、碱的杂质;减少固体溶解
沉淀洗涤的方法:向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次
检验沉淀是否洗涤干净的方法:取少量最后一次的洗涤液于试管中,向其中滴入某试剂,若未出现特征反应现象,则沉淀洗涤干净
(5)萃取与反萃取
①萃取:利用物质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同,将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。如用CCl4萃取溴水中的Br2。
②反萃取:用反萃取剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程,为萃取的逆过程。
(6)其他
①蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。
②减压蒸馏的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止受热分解、氧化等。
2.根据溶解度曲线判断结晶的方法
(1)溶解度受温度影响较小的(如NaCl)采取蒸发结晶的方法。
(2)溶解度受温度影响较大的采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
(3)带有结晶水的盐,一般采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
1.(2024·江西鹰潭一模)镍有广泛的用途,不仅可以用于不锈钢的制造,目前也是三元锂电池中的重要元素。由红土镍矿(主要成分为 NiO,还含有少量MgO、SiO2以及铁的氧化物等)可以制取黄钠铁矾[Na2Fe6 (SO4 )4(OH)12]和NiSO4·6H2O。
硫酸钠与硫酸镍晶体的溶解度曲线图如图所示,由滤液Y制备NiSO4·6H2O的步骤为:
Ⅰ.边搅拌边向滤液Y中滴加NaOH 溶液至沉淀完全,过滤;
Ⅱ.用蒸馏水洗涤固体;
Ⅲ.将所得固体分批加入足量稀硫酸,搅拌使其完全溶解;
Ⅳ.稍低于　　　　　　℃减压蒸发浓缩,降温至稍高于　　　　　　℃,趁热过滤。
请回答:
(1)步骤Ⅱ中确定固体洗涤干净的方法是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(2)步骤Ⅳ中横线上的数字分别是　　　　　　　　　　　　、 　　　　　　。
2.(2025·辽宁鞍山二模)从含钴余液(含Co2+、Ca2+、Mg2+、Ni2+等杂质)中提取氧化钴的流程如下:
回答下列问题:
(1)已知P507萃取剂(HA)2和Co2+发生如下反应:Co2++n(HA)2CoA2·(n-1)(HA)2+2H+。萃取时适当增加溶液的pH,能增大Co2+的萃取率,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)反萃取时加入的试剂a应为　　　　　　　(填标号)。
A.NaHCO3 B.HCl
C.NaOH D.CH3COOH
(3)沉钴的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)系列操作中如何检验CoC2O4是否洗涤干净　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
热点三　反应方程式的书写
1.(2024·新课标卷)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≤1.0×10-5 mol·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)“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。
(2)“氧化沉钴”中氧化还原反应的离子方程式为　　　　　　　　　　、 　　　　　　　　　　。
(3)“除钴液”中主要的盐有　　　　(写化学式)。
2.(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。
回答下列问题:
(1)“浸出液1”中含有的金属离子主要是　　　　　　　　。
(2)“浸取2”步骤中,单质金转化为HAuCl4的化学方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)“浸取3”步骤中,“浸渣2”中的　　　　(填化学式)转化为[Ag(S2O3)2]3-。
(4)“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)。
高考热点:流程中的产物确定及化学方程式的书写是每年必考的题点,解题的关键是根据流程中的转化关系及反应现象来确定产物(包括滤渣、循环物质、副产品等)。通过各种产物确定反应过程中有无电子的转移,进一步确定反应的类型是非氧化还原反应还是氧化还原反应,再利用相关的原理配平相关方程式即可。
化工流程中书写化学方程式的步骤
书写新情境化学方程式的基本思路为“读取”流程中的有效信息,找出主要的反应物和生成物,再依据质量守恒定律和电荷守恒规律写出反应的化学(离子)方程式,书写步骤如下:
1.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。用Na2S2O8检验水相中的Mn2+时发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
2.ClO2是一种高效安全的杀菌消毒剂。氯化钠电解法生产ClO2的工艺原理示意图如下所示:
(1)写出氯化钠电解槽内发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　。
(2)写出二氧化氯发生器中发生反应的化学方程式,并标出电子转移的方向及数目:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(3)ClO2能将电镀废水中的CN-氧化成两种无毒气体,自身被还原成Cl-。写出该反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
3.(2025·山东青岛检测节选)以某种铁钴矿(主要成分为FeCo2S4,还含有少量MgO、SiO2等杂质)为原料制取Co2O3和黄钠铁矾的工艺流程如图所示。
(1)在滤液3中按物质的量之比为1∶2加入NaClO和Na2CO3,若滤渣4的成分为Co(OH)3,总反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(2)经检测,滤渣4是由Co(OH)3和Co(OH)SO4形成的混合物,隔绝空气灼烧时,Co(OH)SO4发生反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　;
如果控制温度不当Co(OH)3会生成CoO杂质,反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
热点四　常见的有关计算
1.(2024·湖南卷)铜阳极泥(含有Au、Ag2Se、Cu2Se、PbSO4等)是一种含贵金属的可再生资源,回收贵金属的化工流程如下:
已知:①当某离子的浓度低于1.0×10-5 mol·L-1时,可忽略该离子的存在;
②AgCl(s)+Cl-(aq)[AgCl2]-(aq)　K=2.0×10-5;
③Na2SO3易从溶液中结晶析出;
④不同温度下Na2SO3的溶解度如下:
温度/℃ 0 20 40 60 80
溶解度/g 14.4 26.1 37.4 33.2 29.0
(1)在“除金”工序溶液中,Cl-浓度不能超过　　　　 mol·L-1。
(2)在“银转化”体系中,[Ag(SO3)2]3-和[Ag(SO3)3]5-浓度之和为0.075 mol·L-1,两种离子分布分数δ{δ([Ag(SO3)2]3-)=}随S浓度的变化关系如图所示,若S浓度为1.0 mol·L-1,则[Ag(SO3)3]5-的浓度为　　　　 mol·L-1。
2.(2024·海南卷)锰锌铁氧体(MnxZn1-yFe2O4)元件是电子线路中的基础组成部分。某实验室利用废弃电子产品中的锰锌铁氧体制备MnO2、ZnO和FeC2O4·2H2O,可用于电池、催化剂等行业,其工艺流程如下:
回答问题:
(1)氨浸的作用是将　　　　　　元素(填元素符号)有效转移到水溶液中。
(2)煮沸含有配合物的溶液B,产生混合气体,经冷凝后所得溶液可循环用于氨浸,该溶液是　　　　　　。
(3)沉锰反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
某次实验时,将原料中的Mn以MnO2·nH2O形式定量沉淀完全,消耗了2.0 mol KMnO4,并产出81 g ZnO(纯度为99.9%),则该原料MnxZn1-yFe2O4化学式中x=　　　　　　。
(4)沉铁时,选择K2C2O4是为了便于从滤液中回收有价值的钾盐　　　　　　(填化学式)。该钾盐在种植业中的一种用途是　　　　　　。
(5)通过加入CaSO4固体,除去滤液中危害环境的C2,已知Ksp(CaSO4)=7.1×10-5,Ksp(CaC2O4)=2.3×10-9。反应CaSO4(s)+C2 (aq)CaC2O4(s)+S(aq)的平衡常数为　　　　　　。
高考热点:纵观近年高考试题,有关化工流程计算的考查常从以下几个方面命题:
(1)纯度、产率计算
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。
(3)反应物及产物的用量关系。
1.关系式法在计算反应物或产物之间数量关系的应用
(1)意义:根据化学方程式或四大守恒[原子守恒、电荷守恒、得失电子守恒(或化合价升降守恒)、能量守恒],寻找已知物质与需要求解的物质之间的定量关系。
(2)解题步骤:
①认真审题,寻找已知对象和需要求解的对象;
②根据守恒或化学方程式分别寻找已知物质与“中介”的关系,以及“中介”与需要求解物质的关系;
③利用“中介”为纽带,建立已知物质和需要求解的物质的关系式;
④根据关系式并带入相关物理量列出比例式;
⑤根据比例式求出未知数即可。
注:若体系中有多个化学变化和多组已知数据,并且难以寻找守恒关系、差量关系时,勇敢地设未知数,解多元一次方程组即可。
2.热重分析计算(举例分析)
研究表明,HAuCl4·4H2O受热分解得到Au的过程可分为四步,某实验小组称取一定质量的HAuCl4·4H2O样品进行热重分析,固体质量保留百分数随温度变化的曲线如图所示,写出130.7~142.6 ℃时,发生反应的化学方程式　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。(相对原子质量:Au=197)
1.(2025·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-)
2.(2025·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.(2025·江西南昌一模)我国的钴(Co)资源非常贫乏,一种利用湿法炼锌净化渣回收钴的工艺如下图所示。已知净化渣含有较高的锌、铜、铅、钴元素以及一定量的铁和锰元素,它们大多以金属单质和氧化物的形式存在。
已知:①298 K,Ksp(CuS)=9.0×10-36,(H2S)=1.3×10-7,( H2S)=7.0×10-15。
②NaClO3在酸性溶液中有强氧化性。
(1)大多数金属硫化物都难溶于水,能选择Na2S除铜的原因是　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　,
若加入Na2S后溶液中c(Cu2+)≈1.0×10-6 mol·L-1,c(H2S)≈1.0×10-10 mol · L-1,则溶液的pH约为　　　　　　。
(2)根据流程可知:在沉淀分离步骤中,还原性:Co2+　　　　　　Mn2+(填“强于”或“弱于”);氧化沉淀所得产物为Co(OH)3,最终钴产品是Co(OH)3脱水后的产物,脱水前后质量比为55∶46,则钴产品的化学式为　　　　　　。
专题突破练(十二)　化工流程大题中的常考热点
1.(2025·湖南雅礼中学三模)以湿法炼锌厂所产的钴锰渣(主要成分为Co2O3、CoO、NiO、 MnO2,含少量Fe2O3、ZnO、CuO、CaO等)为原料回收制备CoC2O4的工艺如下:
已知常温下,Ksp(CuS)=1.3×10-36,
Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20,Ksp(ZnS)=1.3×10-24。
回答下列问题:
(1)“酸浸”时其中Co2O3—→Co2+,MnO2—→Mn2+,Fe2O3—→Fe2+,写出Co2O3反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　。
(2)“除铁”时,生成KFe3(SO4)2(OH)6同时有 CO2生成,写出该反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(3)“除铜锌”时,Cu2+主要以CuS 而不是Cu(OH)2形式除去,结合计算说明其原因:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　(写出主要计算推理过程)。
(4)“滤渣 3”中含有MnO2,写出“除锰”时生成 MnO2的化学方程式;　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
2.(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)溶矿反应完成后,反应器中溶液pH=4,此时c(Fe3+)=　　　　 mol·L-1;用石灰乳调节至pH≈7,除去的金属离子是　　　　。
3.(2025·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。
4.蛇纹石矿(主要成分为MgO、SiO2和少量铁、铝、镍等元素)与绿矾耦合焙烧提取富镁溶液矿化CO2并回收镍。工艺流程如图。
已知:①DDTC[]是一种常见的络合剂,对低浓度镍离子的络合效果好;
②25 ℃时,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33。
回答下列问题:
(1)“耦合焙烧”过程中绿矾做助剂,将蛇纹石矿的金属元素全部转化为硫酸盐。“滤渣1”的主要成分为　　　　　　(填化学式)。
(2)25 ℃时,pH对“浸出液”中金属沉淀率的影响如图,加入氨水调节的适宜 pH≈　　　　　　。当铝离子恰好完全沉淀时,c(Fe3+)=　　　　　　 mol·L-1(保留两位有效数字)。(已知当离子浓度c≤10-5 mol·L-1时认为已完全沉淀)
(3)“滤饼”主要成分的结构中存在两个通过配位键形成的稳定四元环。这个配位原子为　　　　　,原因为　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)“矿化”的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)已知蛇纹石矿中氧化镁含量约为30%,提取过程中镁损失率为20%。80 ℃时,若矿化率为95%,则每1 000 kg蛇纹石矿可固定CO2的质量约为　　　　　　 kg。
大题突破(三)　化工流程综合题的解题策略
1.(2024·江西卷)稀土是国家的战略资源之一。以下是一种以独居石(主要成分为CePO4,含有Th3(PO4)4、U3O8和少量镭杂质)为原料制备CeCl3·nH2O的工艺流程图。
已知:ⅰ.Ksp[Th(OH)4]=4.0×10-45,
Ksp[Ce(OH)3]=1.6×10-20,
Ksp[Ce(OH)4]=2.0×10-48
ⅱ.镭为第ⅡA族元素
回答下列问题:
(1)关于独居石的热分解,以下说法正确的是　　　　(填标号)。
a.降低压强,分解速率增大
b.降低温度,分解速率降低
c.反应时间越长,分解速率越大
d.提高搅拌速度,分解速率降低
(2)Na2U2O7中铀元素的化合价为　　　　　　,热分解阶段U3O8生成Na2U2O7的化学反应方程式为　　　　　　　　　　　　。
(3)浓缩结晶后,得到的晶体产物化学式为　　　　　　　　,滤液可用于　　　　　　　阶段循环利用,避免产生大量的高碱度废水。
(4)溶解阶段,将溶液pH先调到1.5~2.0,反应后再回调至4.5。
①盐酸溶解Ce(OH)4的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②当溶液pH=4.5时,c(Th4+)=　　　　 mol·L-1,此时完全转化为氢氧化钍沉淀。
(5)以BaSO4为载体形成共沉淀,目的是去除杂质　　　　。
2.(2025·河南卷)一种从预处理得到的贵金属合金粉[主要成分为Fe、Rh(铑)、Pt,含有少量SiO2]中尽可能回收铑的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)“酸溶1”的目的是　　　　　　　　　　　　。
(2)已知“酸溶2”中Rh转化为H3[RhCl6],则生成该物质的化学方程式为　　　　　　　　　　　　; “滤渣”的主要成分是　　　　　　　　　　　　(填化学式)。
(3)“沉铑”中得到的沉淀经“灼烧”后分解成铑单质,但夹杂少量Rh2O3和RhCl3,则“高温还原”中发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)若“活化还原”在室温下进行,SnCl2初始浓度为1.0×10-4 mol·L-1,为避免生成Sn(OH)2沉淀,溶液适宜的pH为　　　　(填标号)[已知Sn(OH)2的Ksp=5.5×10-28]。
A.2.0 B.4.0 C.6.0
(5)“活化还原”中,SnCl2必须过量,其与Rh(Ⅲ)反应可生成[Rh(SnCl3)5]4-,提升了Rh的还原速率,该配离子中Rh的化合价为　　　　;反应中同时生成[SnCl6]2-,Rh(Ⅲ)以[RhCl6]3-计,则理论上SnCl2和Rh(Ⅲ)反应的物质的量之比为　　　　。
(6)“酸溶3”的目的是　　　　　　　　　　　　。
题型特点:新高考命题为更好地体现综合应用考法,彰显反规律、反套路化命题原则,原来的知识边界清晰、考查相对独立的考法(题目的设问大多围绕化工流程知识展开)正逐步向模糊知识界线、“拼盘”融合无缝的方向演变。如“化工流程+原理”“化工流程+实验”“化工流程+物质结构”等一些创新考法出现在2025各省市的自主命题中。
考查角度:
考法 常考题点
基础 考法 1.加快浸取效率或速率的措施及分析; 2.指定物质的结构如电子式、化合价、化学键的分析; 3.流程中涉及的指定溶液或滤渣中的成分判断
综合 考法 1.物质转化中的化学(离子)方程式或指定物质发生某反应的化学(离子)方程式; 2.除杂质离子的pH调节; 3.分离、提纯的原理、操作方法及仪器名称及选择; 4.转化率或产率的有关计算; 5.Ksp的有关计算及Ksp的应用
应用创 新考法 1.涉及图像的反应条件选择; 2.萃取与反萃取; 3.涉及电化学的电极反应及有关计算
1.工艺流程题的一般呈现形式
2.工艺流程题的分析技巧
分析化学工艺流程可以从“物质转化线”和“反应调控线”的两线入手。根据流程的目的、原料和产品确定“物质转化线”,往往涉及到物质的氧化还原性(价态)、酸碱性(类别)和溶解性(类别)等方面;根据流程中某步骤的反应条件、反应环境及采取的工艺确定“反应调控线”,往往从速率、平衡(限度)和氧化还原等角度分析和解决问题,通过两线结合突破化工流程题。
1.(2025·八省联考内蒙古卷)TiO2是冶炼金属钛的重要原料。氟化法从含钛电炉渣(主要含有Ti、Si、Fe、Ca元素)中制备TiO2的流程如下:
回答下列问题:
(1)Ti位于元素周期表　　　　区。
(2)滤渣的主要成分为(NH4)3FeF6和　　　　。
(3)“除铁”步骤溶液中残留的Fe以钠盐形式析出,离子方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(4)“水解”步骤中(NH4)2SiF6和(NH4)2TiF6的水解率(α)与溶液pH的关系如下图所示。为提高分离效果,“水解”的最佳pH为　　　　。水解后的滤液需返回工艺进行循环,目的是　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)“水解”生成(NH4)2TiOF4沉淀的化学方程式为　　　　　　　　　　　　。
(6)“煅烧”产生的气体中可循环使用的物质是　　　　和　　　　(填化学式)。
(7)如下图所示,“煅烧”温度达1 000 ℃时,锐钛矿型TiO2(晶胞Ⅰ,Ti位于晶胞顶点、侧面和体心)转换成金红石型TiO2(晶胞Ⅱ),晶胞体积V(Ⅰ)=0.130 nm3,V(Ⅱ)=0.064 nm3。则晶体密度比=　　　　(填最简整数比)。
2.(2025·河北卷)铬盐产品广泛应用于化工、医药、印染等领域。通过闭环生产工艺将铬铁矿转化为重铬酸钾,同时回收利用钾资源,可实现绿色化学的目标。流程如下:
已知:铬铁矿主要成分是Fe(CrO2)2、Mg(CrO2)2、Al2O3、SiO2。
回答下列问题:
(1)基态铬原子的价层电子排布式:　　　　　　　　　　　　。
(2)煅烧工序中Fe(CrO2)2反应生成K2CrO4的化学方程式:　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)浸取工序中滤渣Ⅰ的主要成分:Fe2O3、H2SiO3、　　　　　　　　、　　　　　　　　　　　 (填化学式)。
(4)酸化工序中需加压的原因:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)滤液Ⅱ的主要成分:　　　　　　　　　　　 (填化学式)。
(6)补全还原、分离工序中发生反应的化学方程式:
Fe(CO)5+　　　　+　　　　=== Cr(OH)3↓+　　　　+　　　　+　　CO↑
(7)滤渣Ⅱ可返回　　　　　　　　　　　　工序。(填工序名称)
大题通关练(三)　化工流程综合题
1.(2023·河北卷)闭环循环有利于提高资源利用率和实现绿色化学的目标。利用氨法浸取可实现废弃物铜包钢的有效分离,同时得到的CuCl可用于催化、医药、冶金等重要领域。工艺流程如下:
已知:室温下的Ksp(CuCl)=10-6.8。
回答下列问题:
(1)首次浸取所用深蓝色溶液①由铜毛丝、足量液氨、空气和盐酸反应得到,其主要成分为　　　　(填化学式)。
(2)滤渣的主要成分为　　　　(填化学式)。
(3)浸取工序的产物为[Cu(NH3)2]Cl,该工序发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
浸取后滤液的一半经氧化工序可得深蓝色溶液①,氧化工序发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)浸取工序宜在30~40 ℃之间进行,当环境温度较低时,浸取液再生后不需额外加热即可进行浸取的原因是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)补全中和工序中主反应的离子方程式
[Cu(NH3)2]++2H++Cl-===　　　　+　　　　。
(6)真空干燥的目的为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
2.(2023·辽宁卷)某工厂采用如下工艺处理镍钴矿硫酸浸取液(含Ni2+、Co2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+和Mn2+)。实现镍、钴、镁元素的回收。
已知:
物质 Fe(OH)3 Co(OH)2 Ni(OH)2 Mg(OH)2
Ksp 10-37.4 10-14.7 10-14.7 10-10.8
回答下列问题:
(1)用硫酸浸取镍钴矿时,提高浸取速率的方法为
　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　(答出一条即可)。
(2)“氧化”中,用石灰乳调节pH=4,Mn2+被H2SO5氧化为MnO2,该反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　 (H2SO5的电离第一步完全,第二步微弱);滤渣的成分为MnO2、　　　　　　　　(填化学式)。
(3)“氧化”中保持空气通入速率不变,Mn(Ⅱ)氧化率与时间的关系如下。SO2体积分数为　　　　　　时,Mn(Ⅱ)氧化速率最大;继续增大SO2体积分数时,Mn(Ⅱ)氧化速率减小的原因是　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)“沉钴镍”中得到的Co(Ⅱ)在空气中可被氧化成CoO(OH),该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)“沉镁”中为使Mg2+沉淀完全(25 ℃),需控制pH不低于　　　　　　(精确至0.1)。
3.(2025·日照市一模)以赤泥熔炼渣(主要成分为Fe2O3、SiO2、CaO,少量Sc2O3)为原料分离稀土元素钪(Sc)的一种工艺流程如下:
已知:①萃取剂为磷酸三丁酯、磷酸二丁酯和磺化煤油;
②Sc3+的氧化性很弱。
回答下列问题:
(1)“浸渣”的主要成分为　　　　　　(填化学式)。
(2)“反萃取”的目的是分离Sc和Fe元素。向“萃取液”中加入NaOH,(Fe2+、Fe3+、Sc3+)的沉淀率随pH的变化如图。试剂X为　　　　　　(填Na2SO3或NaClO),应调节pH最佳为　　　　　　　　　　　　。
(3)已知Sc2(C2O4)3难溶于水,难溶于酸;(H2C2O4)=a,(H2C2O4)=b,Ksp[Sc2(C2O4)3]=c,“沉钪”时,发生反应:2Sc3++3H2C2O4===Sc2(C2O4)3↓+6H+,此反应的平衡常数K=　　　　　　。(用含a、b、c代数式表示)
(4)Sc2(C2O4)3经系列操作可得ScCl3·6H2O,ScCl3·6H2O加热脱水时生成ScOCl的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)在一定条件下,一种物质在两种互不相溶的溶剂A、B中的浓度之比是一个常数(分配系数Kd) Kd=;萃取率=×100%。萃取Sc的过程中,若Sc元素的分配系数Kd==7.5,取100 mL含钪的溶液,一次性加入60 mL萃取剂,则Sc的萃取率为　　　　　　%(保留到小数点后一位,下同);若将60 mL萃取剂分成3次萃取,每次用20 mL,则最后一次水层中钪的残留率为　　　　　　　　　　　　%。
4.(2025·潍坊市高三3月模拟)钴及其化合物广泛应用于磁性材料、电池材料等领域。一种用某含钴铜渣(主要成分Co和Cu,含Co3S4、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等)制备Co单质的流程如下:
已知:①酸性条件下Co3+有氧化性;
②当反应的平衡常数K>105时,可以认为反应进行完全;Ksp(CoC2O4)=10-8.48,草酸的电离常数=5.6×10-2,=1.5×10-4。
回答下列问题:
(1)Co3S4具有磁性,Co3S4中Co的化合价为　　　　　　;“还原浸出”中加入亚硫酸钠的作用是　　　　　　。
(2)回收S时,温度控制在50~60 ℃之间,原因是　　　　　　　　　　　　。
(3)在“除铜”操作中,通过控制体系酸度和电位可实现将溶液中的Cu2+转化为Cu(s)而除去,符合要求的反应体系是　　　　　　。
A.pH=1.5,E=0 V B.pH=4,E=0.4 V
C.pH=8,E=0.2 V D.pH=-1,E=0.1 V
(4)“氧压水解分离”发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)可通过电解精炼粗钴制取钴单质,用硫酸钴溶液作为电解质,控制阴极室pH为3~5之间,若pH过低,会影响产率,原因是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(6)“沉钴”时,若用草酸代替草酸铵溶液、试通过计算来说明草酸能否实现完全沉钴　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
5.(2025·绵阳模拟)金属镓有“电子工业脊梁”的美誉,与铝的化学性质类似,广泛应用于电子、航空航天、光学等领域。从刚玉渣(含钛、镓的低硅铁合金,还含有少量氧化铝)回收镓的流程如图所示:
室温时,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
金属离子 Ga3+ Al3+ Fe3+ Fe2+
开始沉淀时(c=0.01 mol·L-1)的pH 4.5 3.7 2.2 7.5
完全沉淀时(c=1.0×10-5 mol·L-1)的pH 5.5 4.7 3.2 9.0
(1)基态镓原子的价层电子排布式为　　　　　　　　　　　　。
(2)从溶液中得到FeSO4·7H2O的具体操作为　　　　　　、　　　　　　、过滤、洗涤、干燥。
(3)“中和沉淀”过程中分离出的滤渣①有Fe(OH)3和　　　　　　(填化学式),若滤液②中阳离子浓度均为0.1 mol·L-1,“中和沉淀”过程中pH应调节的范围为　　　　　　。
(4)“碱浸”时镓元素发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　。
(5)“碳酸化”过程中为防止镓损耗,不能通入过量CO2的原因为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　(用离子方程式表示)。
(6)以纯镓为原料可制得GaN,GaN晶体的一种立方晶胞如图所示,Ga的配位数为　　　　　,已知晶胞中Ga和N的最近距离为a nm,阿伏加德罗常数的值为NA,则GaN的晶体密度为　　　　　　 g·cm-3(列出计算式)。 专题三　化工流程大题中的常考热点
热点一　物质转化条件的控制与循环物质
1.(2024·山东卷)以铅精矿(含PbS、Ag2S等)为主要原料提取金属Pb和Ag的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)溶液中盐酸浓度不宜过大,除防止“热浸”时HCl挥发外,另一目的是防止产生　　　　(填化学式)。
(2)将“过滤 Ⅱ ”得到的PbCl2沉淀反复用饱和食盐水热溶,电解所得溶液可制备金属Pb,“电解I”阳极产物用尾液吸收后在工艺中循环使用,利用该吸收液的操作单元为　　　　。
(3)“还原”中加入铅精矿的目的是　　　　。
答案　(1)H2S　(2)热浸
(3)将过量的Fe3+还原为Fe2+
解析　(1)溶液中盐酸浓度过大易挥发,氢离子浓度过大,会生成H2S 气体。(2)“过滤 Ⅱ”得到的PbCl2沉淀反复用饱和食盐水热溶,会溶解为[PbCl4]2-,电解[PbCl4]2-溶液制备金属Pb,Pb在阴极产生,阳极Cl-放电产生Cl2, 尾液成分为FeCl2,FeCl2吸收Cl2后转化为FeCl3,可以在热浸中循环使用。(3)过滤 Ⅱ 所得的滤液中有过量的未反应的Fe3+,根据还原之后可以得到含硫滤渣,“还原”中加入铅精矿的目的是将过量的Fe3+还原为Fe2+。
2.(2024·黑吉辽卷)中国是世界上最早利用细菌冶金的国家。已知金属硫化物在“细菌氧化”时转化为硫酸盐,某工厂用细菌冶金技术处理载金硫化矿粉(其中细小的 Au颗粒被FeS2、FeAsS包裹),以提高金的浸出率并冶炼金,工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)北宋时期我国就有多处矿场利用细菌氧化形成的天然“胆水”冶炼铜,“胆水”的主要溶质为　　　　　　(填化学式)。
(2)“细菌氧化”中,FeS2发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　。
(3)“沉铁砷”时需加碱调节pH,生成　　　　　(填化学式)胶体起絮凝作用,促进了含As微粒的沉降。
(4)“焙烧氧化”也可提高“浸金”效率,相比“焙烧氧化”,“细菌氧化”的优势为　　　　(填标号)。
A.无需控温
B.可减少有害气体产生
C.设备无需耐高温
D.不产生废液废渣
(5)“真金不怕火炼”,表明Au难被O2氧化,“浸金”中NaCN的作用为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(6)“沉金”中Zn的作用为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(7)滤液②经H2SO4酸化,[Zn(CN)4]2-转化为ZnSO4和HCN的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
用碱中和HCN可生成　　　　　　(填溶质化学式)溶液,从而实现循环利用。
答案　(1)CuSO4　(2)4FeS2+15O2 +2H2O4Fe3++8S+4H+　(3)Fe(OH)3　(4)BC
(5)做络合剂,将Au转化为[Au(CN)2]-从而浸出
(6)作还原剂,将[Au(CN)2]-还原为 Au
(7)Na2[Zn(CN)4]+2H2SO4===ZnSO4+4HCN+Na2SO4　NaCN
高考热点:工艺以及原料循环利用等流程中通过调节pH、调节温度 ,加入某种物质促使向产品物质进行转化,是高考必考内容。主要考查:
(1)工艺流程中的条件控制。
(2)不同循环物质的判断等。
1.反应条件的控制及目的
条件控制 目的
反应物用 量或浓度 ①酸浸时提高酸的浓度可提高矿石中某金属元素的浸取率;②增大便宜、易得的反应物的浓度,可以提高其他物质的利用率,使反应充分进行;③增大物质浓度可以加快反应速率,使平衡发生移动等
控制溶液 的pH ①调节溶液的酸碱性,使金属离子形成氢氧化物沉淀析出(或抑制水解) ②“酸作用”还可除去氧化物(膜) ③“碱作用”还可除去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅等 ④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)
控制温度(常 用水浴、冰水 浴或油浴) ①防止副反应的发生 ②使化学平衡移动;控制化学反应的方向 ③控制固体的溶解与结晶 ④控制反应速率;使催化剂达到最大活性 ⑤升温:促进溶液中的气体逸出,使某物质达到沸点挥发 ⑥加热煮沸:促进水解,聚沉后利于过滤分离 ⑦趁热过滤:减少因降温而析出的溶质的量 ⑧降温:防止物质高温分解或挥发
2.可循环利用物质的判断
(1)流程图中回头箭头的物质。
(2)生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步反应的相关物质。
①从流程需要加入的物质去找
先观察流程中需要加入的物质,再研究后面的流程中有没有生成此物质。
②从能构成可逆反应的物质去找
可逆反应的反应物不能完全转化,应该回收再利用。
③从过滤后的母液中寻找
析出晶体经过过滤后的溶液称为母液,母液是该晶体溶质的饱和溶液,应该循环再利用。
1.BiOCl为白色结晶性粉末,溶于酸,不溶于水,可用作医药、化妆品方面的增白收敛剂。某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3,含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl,工艺流程如图所示。
已知:①联合焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3;②2BiOCl+2OH-===2Cl-+H2O+Bi2O3。
为提高联合焙烧效率,可采取的措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(任写一种),
实验室中焙烧用到的主要仪器有三脚架、泥三角、酒精灯、　　　　。
答案　将矿渣进一步粉碎、鼓入适当过量的空气或焙烧过程中不断搅拌　坩埚、坩埚钳
2.(2025·安徽滁州一模)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:
(1)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
试判断“精制”过程中,加MnO调节pH的范围是　　　　　　。
(2)“控温、氧化”过程中,溶液温度不宜过高,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)5.2≤pH<8.8
(2)温度过高会降低O2溶解度,增加原料用量,降低产品产率
3.钛及其合金是制造飞机、火箭等的优异材料。工业上以钛铁矿(主要成分为FeTiO3,含Fe、Si、Al的氧化物等杂质)制备钛和Fe3O4·xH2O的工艺流程如图所示:
①25 ℃时相关物质的Ksp见下表:
物质 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Al(OH)3
Ksp 1×10-16.3 1×10-38.6 1×10-32.3
②Ⅰ.TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(g)+O2(g),KⅠ=3.4×10-29
Ⅱ.2C(s)+O2(g)2CO(g),KⅡ=1.2×1048
Ⅲ.“酸浸”时Ti元素转化为TiO2+
(1)“还原”操作单元加入过量铁粉的两个作用是　　　　　　　　　　　　。
(2)通过计算说明“高温、氯化”操作单元加入碳粉的理由:　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)该工艺流程中可以循环利用的物质是　　　　　　(填化学式)。
答案　(1)与硫酸反应,有利于TiO2+水解;将Fe3+还原为Fe2+
(2)TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g)的K=KⅠ·KⅡ≈4.1×1019,K远大于KⅠ,加入碳粉使TiO2氯化为TiCl4得以实现　(3)Cl2
解析　(1)“还原”操作单元加入过量铁粉的两个作用是与硫酸反应,有利于TiO2+水解,同时将Fe3+还原为Fe2+。(2)“高温、氯化”时发生的反应为TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)TiCl4(g)+2CO(g),其K=KⅠ·KⅡ=3.4×10-29×1.2×1048≈4.1×1019,远大于KⅠ,加入碳粉使TiO2氯化为TiCl4得以实现。(3)该工艺流程中,电解时产生氯气,而氯化时需要氯气参与,故可以循环利用的物质是氯气。
热点二　物质的分离提纯
1.(2024·湖北卷)铍用于宇航器件的构筑。一种从其铝硅酸盐[Be3Al2(SiO3)6]中提取铍的路径为:
已知:Be2++4HABeA2(HA)2+2H+
回答下列问题:
(1)为了从“热熔冷却”步骤得到玻璃态,冷却过程的特点是　　　　　　　　　　　　。
(2)“萃取分液”的目的是分离Be2+和Al3+,向过量烧碱溶液中逐滴加入少量“水相1”的溶液,观察到的现象是　　　　　　　　　　　　。
(3)写出反萃取生成Na2[Be(OH)4]的化学方程式　　　　　　　　　　　　。
“滤液2”可以进入　　　　　　步骤再利用。
答案　(1)快速冷却
(2)先产生白色沉淀,且沉淀立刻溶解
(3)BeA2(HA)2+6NaOH===Na2[Be(OH)4]+4NaA+2H2O　反萃取分液
解析　(1)将熔融态物质快速冷却可转化为非晶态,故为了从“热熔冷却”步骤得到玻璃态,需要快速冷却。(2)由已知信息可知,“萃取分液”时Be2+转化为BeA2(HA)2进入有机相中,水相1为含有Al3+的水溶液,向过量烧碱溶液中逐滴加入少量“水相1”的溶液,先发生反应:Al3++3OH-===Al(OH)3↓,随后立即发生反应:Al(OH)3+OH-===[Al(OH)4]-,故观察到的现象是产生白色沉淀,且沉淀立刻溶解。(3)由对角线规则可知,Al与Be化学性质相似,故有机相中加入过量NaOH溶液,BeA2(HA)2转化为[Be(OH)4]2-进入水相2,反萃取时BeA2(HA)2与NaOH反应生成Na2[Be(OH)4],化学方程式为BeA2(HA)2+6NaOH===Na2[Be(OH)4]+4NaA+2H2O。“滤液2”的主要成分为NaOH,可以进入反萃取分液步骤再利用。
2.(2025·山东卷)采用两段焙烧-水浸法从铁锰氧化矿(主要含Fe2O3、MnO2及Co、Cu、Ca、Si等元素的氧化物)分离提取Cu、Co、Mn等元素,工艺流程如下:
已知:该工艺条件下,(NH4)2SO4低温分解生成NH4HSO4,高温则完全分解为气体;Fe2(SO4)3在650 ℃完全分解,其他金属硫酸盐分解温度均高于700 ℃。
回答下列问题:
(1)“低温焙烧”时金属氧化物均转化为硫酸盐。MnO2与NH4HSO4反应转化为MnSO4时有N2生成,该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
“高温焙烧”温度为650 ℃,“水浸”所得滤渣主要成分除SiO2外还含有　　　　　　(填化学式)。
(2)在(NH4)2SO4投料量不变的情况下,与两段焙烧工艺相比,直接“高温焙烧”,“水浸”时金属元素的浸出率　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)HR萃取Cu2+的反应为:2HR(有机相)+Cu2+(水相)CuR2(有机相)+2H+(水相)。“反萃取”时加入的试剂为　　　　　　(填化学式)。
(4)“沉钴”中,pH=4时 Co2+恰好沉淀完全[c(Co2+)=1×10-5 mol·L-1],则此时溶液中c(H2S)=　　　　　　 mol·L-1。已知:
(H2S)=1×10-7,(H2S)=1×10-13,
Ksp(CoS)=4×10-21。CoS“溶解”时发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(5)“沉锰”所得滤液并入“吸收”液中,经处理后所得产品导入　　　　　　(填操作单元名称)循环利用。
答案　(1)3MnO2+3NH4HSO43MnSO4+N2↑+6H2O+NH3↑　Fe2O3、CaSO4
(2)减小　(3)H2SO4　(4)4×10-4　CoS+H2O2+2H+===S+Co2++2H2O　(5)低温焙烧
解析　(1)MnO2转化为MnSO4得2e-,NH4HSO4转化为N2失3e-,根据得失电子守恒,MnO2、NH4HSO4的化学计量数分别为3、2,即3MnO2+2NH4HSO4—→3MnSO4+N2,再根据原子守恒,配平化学方程式为3MnO2+3NH4HSO43MnSO4+N2↑+6H2O+NH3↑。“高温焙烧”时温度为650 ℃,根据已知信息可知,Fe2(SO4)3可完全分解生成Fe2O3和SO3,“水浸”时Fe2O3不溶于水,CaSO4微溶于水,故所得滤渣主要成分除SiO2外还含有Fe2O3、CaSO4。(2)(NH4)2SO4在高温时完全分解为气体,故直接“高温焙烧”,金属氧化物转化为硫酸盐的量减小,则“水浸”时金属元素的浸出率减小。(3)“反萃取”时应使萃取反应逆向进行,故应增大c(H+),结合得到CuSO4溶液知,加入的试剂为H2SO4。(4)pH=4时Co2+恰好沉淀完全,此时c(S2-)= mol·L-1=4×10-16 mol·L-1,根据(H2S)×(H2S)=,则c(H2S)= mol·L-1=4×10-4 mol·L-1。CoS“溶解”时CoS、H2O2、H2SO4发生反应,生成CoSO4、S和H2O,结合得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒配平离子方程式为CoS+H2O2+2H+===Co2++S+2H2O。(5)“沉锰”时发生反应:MnSO4+2NH4HCO3===(NH4)2SO4+MnCO3↓+H2O+CO2↑,所得滤液主要含(NH4)2SO4,并入“吸收”液中,经处理后所得产品导入“低温焙烧”循环利用。
高考热点:化学工艺流程题是高考的热点题型,通常以物质的提纯和制备为背景。主要考查:
(1)原材料的处理。
(2)常见物质分离提纯的方法操作等。
1.常考分离、提纯的操作
(1)从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法:蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤→干燥→称量。
(2)从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法:蒸发浓缩→趁热过滤(如果温度下降,杂质也会以晶体的形式析出来)→洗涤→干燥→称量。
(3)减压蒸发的原因:减压蒸发降低了蒸发温度,可以防止某物质分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)或失去结晶水(如题目要求制备结晶水合物产品)。
(4)洗涤
洗涤试剂 适用范围 目的
蒸馏 水 冷水 产物不溶于水 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为溶解而造成的损失
热水 有特殊的物质其溶解度随着温度升高而下降 除去固体表面吸附着的××杂质,可适当降低固体因为温度变化溶解而造成的损失
有机溶剂 (酒精、丙酮等) 固体易溶于水、难溶于有机溶剂 减少固体溶解;利用有机溶剂的挥发性除去固体表面的水分,产品易干燥
饱和溶液 对纯度要求不高的产品 减少固体溶解
酸、碱溶液 产物不溶于酸、碱 除去固体表面吸附着的可溶于酸、碱的杂质;减少固体溶解
沉淀洗涤的方法:向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2~3次
检验沉淀是否洗涤干净的方法:取少量最后一次的洗涤液于试管中,向其中滴入某试剂,若未出现特征反应现象,则沉淀洗涤干净
(5)萃取与反萃取
①萃取:利用物质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同,将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂的过程。如用CCl4萃取溴水中的Br2。
②反萃取:用反萃取剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程,为萃取的逆过程。
(6)其他
①蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。
②减压蒸馏的原因:减小压强,使液体沸点降低,防止受热分解、氧化等。
2.根据溶解度曲线判断结晶的方法
(1)溶解度受温度影响较小的(如NaCl)采取蒸发结晶的方法。
(2)溶解度受温度影响较大的采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
(3)带有结晶水的盐,一般采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。
1.(2024·江西鹰潭一模)镍有广泛的用途,不仅可以用于不锈钢的制造,目前也是三元锂电池中的重要元素。由红土镍矿(主要成分为 NiO,还含有少量MgO、SiO2以及铁的氧化物等)可以制取黄钠铁矾[Na2Fe6 (SO4 )4(OH)12]和NiSO4·6H2O。
硫酸钠与硫酸镍晶体的溶解度曲线图如图所示,由滤液Y制备NiSO4·6H2O的步骤为:
Ⅰ.边搅拌边向滤液Y中滴加NaOH 溶液至沉淀完全,过滤;
Ⅱ.用蒸馏水洗涤固体;
Ⅲ.将所得固体分批加入足量稀硫酸,搅拌使其完全溶解;
Ⅳ.稍低于　　　　　　℃减压蒸发浓缩,降温至稍高于　　　　　　℃,趁热过滤。
请回答:
(1)步骤Ⅱ中确定固体洗涤干净的方法是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(2)步骤Ⅳ中横线上的数字分别是　　　　　　　　　　　　、 　　　　　　。
答案　(1)取最后一次的洗涤液于一支洁净的试管中,用盐酸酸化后向其中滴加BaCl2溶液,无沉淀生成,则已洗涤干净　(2)53.8　30.8
解析　(1)检验固体洗涤干净即检验固体表面不含S,故可取最后一次的洗涤液于一支洁净的试管中,用盐酸酸化后向其中滴加BaCl2溶液,无沉淀生成,则已洗涤干净。(2)由图可知,要制得NiSO4·6H2O固体,应稍低于53.8 ℃减压蒸发浓缩,降温至稍高于30.8 ℃,趁热过滤。
2.(2025·辽宁鞍山二模)从含钴余液(含Co2+、Ca2+、Mg2+、Ni2+等杂质)中提取氧化钴的流程如下:
回答下列问题:
(1)已知P507萃取剂(HA)2和Co2+发生如下反应:Co2++n(HA)2CoA2·(n-1)(HA)2+2H+。萃取时适当增加溶液的pH,能增大Co2+的萃取率,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)反萃取时加入的试剂a应为　　　　　　　(填标号)。
A.NaHCO3 B.HCl
C.NaOH D.CH3COOH
(3)沉钴的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)系列操作中如何检验CoC2O4是否洗涤干净　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)酸性减弱,平衡正向移动,增大Co2+的萃取率　(2)B　(3)Co2+ +C2===CoC2O4↓　(4)取最后一次洗涤液于试管中,向其中加入硝酸酸化的硝酸银溶液观察是否出现白色沉淀
解析　(1)萃取时适当增加溶液的pH,能增大Co2+的萃取率,原因是:酸性减弱,平衡正向移动,增大Co2+的萃取率。(2)反萃取时加入的试剂a不可引入杂质,但需要将钴离子萃取出来,利用平衡移动的方法,根据Co2++n(HA)2CoA2·(n-1)(HA)2+2H+可知,选B。(3)沉钴的离子方程式为Co2++C2===CoC2O4↓。(4)检验 CoC2O4是否洗涤干净主要检验的是氯离子,方法为取最后一次洗涤液于试管中,向其中加入硝酸酸化的硝酸银溶液观察是否出现白色沉淀。
热点三　反应方程式的书写
1.(2024·新课标卷)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≤1.0×10-5 mol·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)“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。
(2)“氧化沉钴”中氧化还原反应的离子方程式为　　　　　　　　　　、 　　　　　　　　　　。
(3)“除钴液”中主要的盐有　　　　(写化学式)。
答案　(1)将Fe2+氧化为Fe3+　铁氰化钾溶液　Fe2+　(2)Mn+3Co2++7H2O===MnO2↓+3Co(OH)3↓+5H+　3Mn2++2H2O+2Mn===5MnO2↓+4H+　(3)ZnSO4和K2SO4
解析　(1)加入MnO2的作用是将滤液中的Fe2+氧化为Fe3+,便于后续加入ZnO调pH=4时,Fe3+完全转化为Fe(OH)3沉淀。为了检验滤液中Fe2+是否完全被氧化为Fe3+,可取少量反应后的溶液,加入铁氰化钾溶液,若出现蓝色沉淀,说明溶液中还存在Fe2+,需补加MnO2。(2)“氧化沉钴”过程中发生反应Mn+3Co2++7H2O===MnO2↓+3Co(OH)3↓+5H+,前面加MnO2生成的Mn2+也可与Mn反应,离子方程式为3Mn2++2Mn+2H2O===5MnO2↓+4H+。(3)原废渣中Zn及添加的ZnO中的Zn一直在溶液中,添加的KMnO4会生成K2SO4,故“除钴液”中主要的盐有ZnSO4和K2SO4。
2.(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。
回答下列问题:
(1)“浸出液1”中含有的金属离子主要是　　　　　　　　。
(2)“浸取2”步骤中,单质金转化为HAuCl4的化学方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)“浸取3”步骤中,“浸渣2”中的　　　　(填化学式)转化为[Ag(S2O3)2]3-。
(4)“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)。
答案　(1)Cu2+
(2)2Au+3H2O2+8HCl===2HAuCl4+6H2O
(3)AgCl　(4)[Ag(S2O3)2]3-+e-===Ag↓+2S2　Na2S2O3
解析　(1)结合图示流程转化可知,Cu在酸性条件下被H2O2氧化为Cu2+,故“浸出液1”中含有的金属离子主要是Cu2+。(2)“浸取2”步骤中Au在盐酸作用下被H2O2氧化为HAuCl4,根据Au、O元素的化合价变化和得失电子守恒等可写出其化学方程式为2Au+3H2O2+8HCl===2HAuCl4+6H2O。(3)“浸取2”步骤中Ag在盐酸作用下被H2O2氧化为AgCl,“浸取3”中AgCl与Na2S2O3作用生成[Ag(S2O3)2]3-。(4)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。
高考热点:流程中的产物确定及化学方程式的书写是每年必考的题点,解题的关键是根据流程中的转化关系及反应现象来确定产物(包括滤渣、循环物质、副产品等)。通过各种产物确定反应过程中有无电子的转移,进一步确定反应的类型是非氧化还原反应还是氧化还原反应,再利用相关的原理配平相关方程式即可。
化工流程中书写化学方程式的步骤
书写新情境化学方程式的基本思路为“读取”流程中的有效信息,找出主要的反应物和生成物,再依据质量守恒定律和电荷守恒规律写出反应的化学(离子)方程式,书写步骤如下:
1.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。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+16H+
2.ClO2是一种高效安全的杀菌消毒剂。氯化钠电解法生产ClO2的工艺原理示意图如下所示:
(1)写出氯化钠电解槽内发生反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　。
(2)写出二氧化氯发生器中发生反应的化学方程式,并标出电子转移的方向及数目:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(3)ClO2能将电镀废水中的CN-氧化成两种无毒气体,自身被还原成Cl-。写出该反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)Cl-+3H2O3H2↑+Cl
(2)
(3)2ClO2+2CN-===2CO2+2Cl-+N2
解析　(1)根据电解原理,氯化钠电解槽内发生反应的离子方程式为Cl-+3H2O3H2↑+Cl。(2)二氧化氯发生器中NaClO3被还原为ClO2,HCl被氧化为Cl2,NaClO3为氧化剂,HCl为还原剂,该反应过程可表示为。(3)ClO2能将电镀废水中的CN-氧化成两种无毒气体,自身被还原成Cl-,该反应的离子方程式为2ClO2+2CN-===2CO2+2Cl-+N2。
3.(2025·山东青岛检测节选)以某种铁钴矿(主要成分为FeCo2S4,还含有少量MgO、SiO2等杂质)为原料制取Co2O3和黄钠铁矾的工艺流程如图所示。
(1)在滤液3中按物质的量之比为1∶2加入NaClO和Na2CO3,若滤渣4的成分为Co(OH)3,总反应的离子方程式是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(2)经检测,滤渣4是由Co(OH)3和Co(OH)SO4形成的混合物,隔绝空气灼烧时,Co(OH)SO4发生反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　;
如果控制温度不当Co(OH)3会生成CoO杂质,反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)2Co2++ClO-+2C+3H2O===Cl-+2Co(OH)3↓+2CO2↑　(2)2Co(OH)SO4Co2O3+2SO3↑+H2O↑　4Co(OH)34CoO+O2↑+6H2O↑
热点四　常见的有关计算
1.(2024·湖南卷)铜阳极泥(含有Au、Ag2Se、Cu2Se、PbSO4等)是一种含贵金属的可再生资源,回收贵金属的化工流程如下:
已知:①当某离子的浓度低于1.0×10-5 mol·L-1时,可忽略该离子的存在;
②AgCl(s)+Cl-(aq)[AgCl2]-(aq)　K=2.0×10-5;
③Na2SO3易从溶液中结晶析出;
④不同温度下Na2SO3的溶解度如下:
温度/℃ 0 20 40 60 80
溶解度/g 14.4 26.1 37.4 33.2 29.0
(1)在“除金”工序溶液中,Cl-浓度不能超过　　　　 mol·L-1。
(2)在“银转化”体系中,[Ag(SO3)2]3-和[Ag(SO3)3]5-浓度之和为0.075 mol·L-1,两种离子分布分数δ{δ([Ag(SO3)2]3-)=}随S浓度的变化关系如图所示,若S浓度为1.0 mol·L-1,则[Ag(SO3)3]5-的浓度为　　　　 mol·L-1。
答案　(1)0.5　(2)0.05
解析　(1)由题目可知AgCl(s)+Cl-(aq)[AgCl2]-(aq),在“除金”工序溶液中,若Cl-加入过多,AgCl则会转化为[AgCl2]-,当某离子的浓度低于1.0×10-5 mol·L-1时,可忽略该离子的存在,为了不让AgCl发生转化,则c[AgCl2]-=1.0×10-5 mol·L-1,由K==2.0×10-5,可得c(Cl-)=0.5 mol·L-1,即Cl-浓度不能超过0.5 mol·L-1;(2)在“银转化”体系中,[Ag(SO3)2]3-和[Ag(SO3)3]5-浓度之和为0.075 mol·L-1,溶液中存在平衡关系:[Ag(SO3)2]3-+S[Ag(SO3)3]5-,当c(S)=0.5 mol·L-1时,此时c[Ag(SO3)2]3-=c[Ag(SO3)3]5-=0.037 5 mol·L-1,则该平衡关系的平衡常数K==2,当c(S)=1 mol·L-1时,K===2,解得此时c[Ag(SO3)3]5-=0.05 mol·L-1。
2.(2024·海南卷)锰锌铁氧体(MnxZn1-yFe2O4)元件是电子线路中的基础组成部分。某实验室利用废弃电子产品中的锰锌铁氧体制备MnO2、ZnO和FeC2O4·2H2O,可用于电池、催化剂等行业,其工艺流程如下:
回答问题:
(1)氨浸的作用是将　　　　　　元素(填元素符号)有效转移到水溶液中。
(2)煮沸含有配合物的溶液B,产生混合气体,经冷凝后所得溶液可循环用于氨浸,该溶液是　　　　　　。
(3)沉锰反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
某次实验时,将原料中的Mn以MnO2·nH2O形式定量沉淀完全,消耗了2.0 mol KMnO4,并产出81 g ZnO(纯度为99.9%),则该原料MnxZn1-yFe2O4化学式中x=　　　　　　。
(4)沉铁时,选择K2C2O4是为了便于从滤液中回收有价值的钾盐　　　　　　(填化学式)。该钾盐在种植业中的一种用途是　　　　　　。
(5)通过加入CaSO4固体,除去滤液中危害环境的C2,已知Ksp(CaSO4)=7.1×10-5,Ksp(CaC2O4)=2.3×10-9。反应CaSO4(s)+C2 (aq)CaC2O4(s)+S(aq)的平衡常数为　　　　　　。
答案　(1)Zn　(2)氨水
(3)3Mn2+(aq)+2Mn(aq)+(5n+2)H2O===5MnO2 ·nH2O(s)+4H+(aq)或2Mn+3Mn2++2H2O===5MnO2↓+4H+　0.75
(4)K2SO4　钾肥或其他合理用途　(5)3.1×104
解析　(3)根据沉锰前后物质可知,沉锰反应的离子反应式为3Mn2+(aq)+2Mn(aq)+(5n+2)H2O===5MnO2·nH2O(s)+4H+(aq)(便于后续计算)或不含结晶水;由离子反应式可知,消耗了2.0 mol KMnO4,则锰锌铁氧体中n(Mn2+)=3.0 mol,n(Zn2+)=n(ZnO)==1 mol,由锰锌铁氧体化学式可知,n(Mn)∶n(Zn)=x∶(1-y)=3∶1,化合价代数和为0,则2x+2-2y+6=8,解得x=0.75。(5)平衡常数K==3.1×104。
高考热点:纵观近年高考试题,有关化工流程计算的考查常从以下几个方面命题:
(1)纯度、产率计算
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。
(3)反应物及产物的用量关系。
1.关系式法在计算反应物或产物之间数量关系的应用
(1)意义:根据化学方程式或四大守恒[原子守恒、电荷守恒、得失电子守恒(或化合价升降守恒)、能量守恒],寻找已知物质与需要求解的物质之间的定量关系。
(2)解题步骤:
①认真审题,寻找已知对象和需要求解的对象;
②根据守恒或化学方程式分别寻找已知物质与“中介”的关系,以及“中介”与需要求解物质的关系;
③利用“中介”为纽带,建立已知物质和需要求解的物质的关系式;
④根据关系式并带入相关物理量列出比例式;
⑤根据比例式求出未知数即可。
注:若体系中有多个化学变化和多组已知数据,并且难以寻找守恒关系、差量关系时,勇敢地设未知数,解多元一次方程组即可。
2.热重分析计算(举例分析)
研究表明,HAuCl4·4H2O受热分解得到Au的过程可分为四步,某实验小组称取一定质量的HAuCl4·4H2O样品进行热重分析,固体质量保留百分数随温度变化的曲线如图所示,写出130.7~142.6 ℃时,发生反应的化学方程式　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。(相对原子质量:Au=197)
答案　HAuCl4AuCl3+HCl↑
解析　含结晶水的物质在受热分解时,一般先脱结晶水,再发生其他分解过程。假设HAuCl4·4H2O的物质的量为1 mol,即412 g。130.7 ℃时,固体的失重率为17.48%,则失去的质量为412 g×17.48%≈72 g,而1 mol HAuCl4·4H2O中结晶水的质量刚好是72 g,因此36 ℃~130.7 ℃时,固体失去所有结晶水。130.7~142.6 ℃时,固体继续失重8.86%,则失去的质量为412 g×8.86%≈36.5 g。而1 mol HCl的质量刚好是36.5 g。因此130.7~142.6 ℃时,1 mol HAuCl4分解出1 mol HCl。综上所述,130.7~142.6 ℃时,发生反应的化学方程式为HAuCl4AuCl3+HCl↑。
1.(2025·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-)
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)=%。
2.(2025·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,。
3.(2025·江西南昌一模)我国的钴(Co)资源非常贫乏,一种利用湿法炼锌净化渣回收钴的工艺如下图所示。已知净化渣含有较高的锌、铜、铅、钴元素以及一定量的铁和锰元素,它们大多以金属单质和氧化物的形式存在。
已知:①298 K,Ksp(CuS)=9.0×10-36,(H2S)=1.3×10-7,( H2S)=7.0×10-15。
②NaClO3在酸性溶液中有强氧化性。
(1)大多数金属硫化物都难溶于水,能选择Na2S除铜的原因是　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　,
若加入Na2S后溶液中c(Cu2+)≈1.0×10-6 mol·L-1,c(H2S)≈1.0×10-10 mol · L-1,则溶液的pH约为　　　　　　。
(2)根据流程可知:在沉淀分离步骤中,还原性:Co2+　　　　　　Mn2+(填“强于”或“弱于”);氧化沉淀所得产物为Co(OH)3,最终钴产品是Co(OH)3脱水后的产物,脱水前后质量比为55∶46,则钴产品的化学式为　　　　　　。
答案　(1)生成的CuS溶解度最小,先于其他的金属离子沉淀　1　(2)弱于　CoO(OH)
解析　(1)大多数金属硫化物都难溶于水,能选择Na2S除铜的原因是生成的CuS溶解度最小,先于其他的金属离子沉淀;加入Na2S后的溶液中c(Cu2+)≈1.0×10-6 mol·L-1,则溶液中的c(S2-)= mol·L-1=9.0×10-30 mol·L-1,根据(H2S)=-7(H2S)==7.0×10-15知,(H2S)·(H2S)==1.3×10-7×7.0×10-15,其中c(H2S)≈1.0×10-10 mol·L-1,则c(H+)≈0.1 mol·L-1,溶液的pH约为1。(2)由流程知,在沉淀分离步骤中得到锰铁渣和含钴元素的溶液,说明还原性:Co2+弱于Mn2+ ;Co(OH)3的相对分子质量为110,Co(OH)3脱水前后质量比为55∶46,则脱水产物的相对分子质量为110×=92,差值为18,为H2O的相对分子质量,说明该过程中发生:Co(OH)3CoO(OH)+H2O,则钴产品的化学式为CoO(OH)。
专题突破练(十二)　化工流程大题中的常考热点
1.(2025·湖南雅礼中学三模)以湿法炼锌厂所产的钴锰渣(主要成分为Co2O3、CoO、NiO、 MnO2,含少量Fe2O3、ZnO、CuO、CaO等)为原料回收制备CoC2O4的工艺如下:
已知常温下,Ksp(CuS)=1.3×10-36,
Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20,Ksp(ZnS)=1.3×10-24。
回答下列问题:
(1)“酸浸”时其中Co2O3—→Co2+,MnO2—→Mn2+,Fe2O3—→Fe2+,写出Co2O3反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　。
(2)“除铁”时,生成KFe3(SO4)2(OH)6同时有 CO2生成,写出该反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(3)“除铜锌”时,Cu2+主要以CuS 而不是Cu(OH)2形式除去,结合计算说明其原因:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　(写出主要计算推理过程)。
(4)“滤渣 3”中含有MnO2,写出“除锰”时生成 MnO2的化学方程式;　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)Co2O3+K2SO3+2H2SO4===2CoSO4+K2SO4+2H2O
(2)2K++6Fe2++3H2O2+4S+3H2O===2KFe3(SO4)2(OH)6↓+3CO2↑
(3)根据Cu(OH)2(s)+S2-(aq)CuS(s)+2OH-(aq),K==1.7×1016>105,反应进行彻底,故Cu2+主要以CuS形式除去
(4)H2SO4+MnSO4+2Co(OH)3===MnO2+2CoSO4+4H2O
解析　钴锰渣中加入稀硫酸、K2SO3溶液进行酸浸,所得滤渣1中含有CaSO4;滤液中加入H2O2,将 Fe2+氧化为Fe3+,再加入K2CO3调节pH,得到KFe3(SO4)2(OH)6沉淀;滤液1中加入 KHS、K2S混合溶液除铜锌,生成CuS、ZnS沉淀;滤液2中加入 Co(OH)3除锰,生成S、MnO2沉淀;滤液3中加入P204萃取,钴镍进入萃取液中,加入硫酸反萃取后与萃余液1合并,再用P507 萃取,钴进入萃取液中,镍进入萃余液2中;萃取液2中加入草酸进行反萃取,从而获得CoC2O4。(1)“酸浸”时,Co2O3与K2SO3反应生成Co2+和S,化学方程式为Co2O3+K2SO3+2H2SO4===2CoSO4+K2SO4+2H2O。(2)“酸浸”时,Fe2O3溶于稀硫酸产生Fe3+,被K2SO3还原为Fe2+。“除铁”时,发生反应为 2K++6Fe2++ 3H2O2+4S+3H2O===2KFe3(SO4)2(OH)6↓+3CO2↑。(3)Cu(OH)2(s)+S2-(aq)CuS(s)+2OH-(aq),K==1.7×1016,平衡常数很大,反应进行彻底,故Cu2+主要以CuS形式除去。(4)MnO2在酸浸时,转化为Mn2+,又因产物Co元素为+2,可知Co(OH)3作氧化剂,可将Mn2+氧化为MnO2,根据得失电子守恒,可写出化学方程式为H2SO4+MnSO4+ 2Co(OH)3===MnO2+2CoSO4+4H2O。
2.(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)溶矿反应完成后,反应器中溶液pH=4,此时c(Fe3+)=　　　　 mol·L-1;用石灰乳调节至pH≈7,除去的金属离子是　　　　。
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↑
(4)2.8×10-9　Al3+
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)溶矿完成以后,反应器中溶液pH=4,此时溶液中c(OH-)=1.0×10-10 mol·L-1,此时体系中含有的c(Fe3+)==2.8×10-9 mol·L-1,这时,溶液中的c(Fe3+)小于1.0×10-5,认为Fe3+已经沉淀完全;用石灰乳调节至pH≈7,这时溶液中c(OH-)=1.0×10-7 mol·L-1,溶液中c(Al3+)=1.3×10-12 mol·L-1,c(Ni2+)=5.5×10-2 mol·L-1,c(Al3+)小于1.0×10-5,Al3+沉淀完全,这一阶段除去的金属离子是Al3+。
3.(2025·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。
4.蛇纹石矿(主要成分为MgO、SiO2和少量铁、铝、镍等元素)与绿矾耦合焙烧提取富镁溶液矿化CO2并回收镍。工艺流程如图。
已知:①DDTC[]是一种常见的络合剂,对低浓度镍离子的络合效果好;
②25 ℃时,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33。
回答下列问题:
(1)“耦合焙烧”过程中绿矾做助剂,将蛇纹石矿的金属元素全部转化为硫酸盐。“滤渣1”的主要成分为　　　　　　(填化学式)。
(2)25 ℃时,pH对“浸出液”中金属沉淀率的影响如图,加入氨水调节的适宜 pH≈　　　　　　。当铝离子恰好完全沉淀时,c(Fe3+)=　　　　　　 mol·L-1(保留两位有效数字)。(已知当离子浓度c≤10-5 mol·L-1时认为已完全沉淀)
(3)“滤饼”主要成分的结构中存在两个通过配位键形成的稳定四元环。这个配位原子为　　　　　,原因为　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)“矿化”的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)已知蛇纹石矿中氧化镁含量约为30%,提取过程中镁损失率为20%。80 ℃时,若矿化率为95%,则每1 000 kg蛇纹石矿可固定CO2的质量约为　　　　　　 kg。
答案　(1)SiO2　(2)4.5　3.1×10-10
(3)S　S原子电负性小,半径大,更易给出电子
(4)5Mg2++10NH3+4CO2+10H2O===Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O↓+10N　(5)200.64
解析　根据题给信息,耦合焙烧后有关金属元素转化为硫酸盐,SiO2不参与反应,加入硫酸浸出时,硫酸盐均溶解,SiO2等不溶性杂质被过滤后留在滤渣1中,浸出液中加氨水调pH,使Fe3+、Al3+转化为难溶碱而除去,净化液中加入DDTC,与镍离子络合生成沉淀,过滤分离出滤饼,焙烧后获得NiO,往滤液中通入NH3、CO2“矿化”后获得Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O。(2)根据图示,为使Fe3+、Al3+尽可能沉淀,Ni2+、Mg2+尽可能不损失,加入氨水调节的适宜pH≈4.5。当铝离子恰好完全沉淀时,c(Al3+)=1.0×10-5 mol·L-1,根据得此时c(Fe3+)=3.1×10-10 mol·L-1。(3)DDTC中能够提供孤电子对的原子有N、S,S的电负性小于N的,S的原子半径大于N的,因此S更容易提供孤电子对与镍离子形成配位键,则配位原子为S。(5)根据有关数据,“矿化”时实际反应的Mg2+质量为1 000 kg×30%××(1-20%)×95%=136.8 kg,根据“矿化”反应的离子方程式得:
5Mg2+~4CO2
5×24　4×44
136.8 kg　m
m= kg=200.64 kg
因此每1 000 kg 蛇纹石矿可固定CO2的质量约为200.64 kg。
大题突破(三)　化工流程综合题的解题策略
1.(2024·江西卷)稀土是国家的战略资源之一。以下是一种以独居石(主要成分为CePO4,含有Th3(PO4)4、U3O8和少量镭杂质)为原料制备CeCl3·nH2O的工艺流程图。
已知:ⅰ.Ksp[Th(OH)4]=4.0×10-45,
Ksp[Ce(OH)3]=1.6×10-20,
Ksp[Ce(OH)4]=2.0×10-48
ⅱ.镭为第ⅡA族元素
回答下列问题:
(1)关于独居石的热分解,以下说法正确的是　　　　(填标号)。
a.降低压强,分解速率增大
b.降低温度,分解速率降低
c.反应时间越长,分解速率越大
d.提高搅拌速度,分解速率降低
(2)Na2U2O7中铀元素的化合价为　　　　　　,热分解阶段U3O8生成Na2U2O7的化学反应方程式为　　　　　　　　　　　　。
(3)浓缩结晶后,得到的晶体产物化学式为　　　　　　　　,滤液可用于　　　　　　　阶段循环利用,避免产生大量的高碱度废水。
(4)溶解阶段,将溶液pH先调到1.5~2.0,反应后再回调至4.5。
①盐酸溶解Ce(OH)4的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②当溶液pH=4.5时,c(Th4+)=　　　　 mol·L-1,此时完全转化为氢氧化钍沉淀。
(5)以BaSO4为载体形成共沉淀,目的是去除杂质　　　　。
答案　(1)b　(2)+6　2U3O8+O2+6NaOH3Na2U2O7+3H2O
(3)Na3PO4·12H2O　热分解　(4)①2Ce(OH)4+8H++2Cl-===2Ce3++8H2O+Cl2↑　②4.0×10-7　
(5)镭(或Ra)
解析　(1)独居石为固体,降低压强,其分解速率不变,a错误;降低温度,分解速率降低,b正确;增加反应时间,对分解速率无影响,c错误;提高搅拌速度,分解速率增大,d错误。(2)Na2U2O7中Na为+1价,O为-2价,根据化合物中正负化合价代数和为0,知U为+6价。热分解阶段U3O8生成Na2U2O7,U元素化合价升高,被空气中的氧气氧化,1 mol U3O8失去3×(6-) mol=2 mol电子,1 mol氧气得4 mol电子,根据得失电子守恒,U3O8、O2的化学计量数分别为2、1,结合原子守恒,配平化学方程式为2U3O8+O2+6NaOH3Na2U2O7+3H2O。(3)热分解时CePO4、Th3(PO4)4和NaOH反应得到Ce(OH)4、Th(OH)4和Na3PO4,稀释过滤后得到含Na3PO4、NaOH的滤液,浓缩结晶得到的晶体产物为Na3PO4·12H2O,滤液主要含NaOH,可用于热分解阶段循环利用,避免产生大量的高碱度废水。(4)①盐酸溶解Ce(OH)4得到含Ce3+的溶液,Ce元素由+4价降低为+3价,则氯离子被氧化为Cl2,根据得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒,配平离子方程式为2Ce(OH)4+8H++2Cl-===2Ce3++8H2O+Cl2↑。②溶液pH=4.5时,c(OH-)=10-9.5 mol·L-1,Ksp[Th(OH)4]=c(Th4+)·c4(OH-)=4.0×10-45,则c(Th4+)= mol·L-1=4.0×10-7 mol·L-1。(5)结合流程图知,以BaSO4为载体形成共沉淀,目的是除去杂质镭。
2.(2025·河南卷)一种从预处理得到的贵金属合金粉[主要成分为Fe、Rh(铑)、Pt,含有少量SiO2]中尽可能回收铑的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)“酸溶1”的目的是　　　　　　　　　　　　。
(2)已知“酸溶2”中Rh转化为H3[RhCl6],则生成该物质的化学方程式为　　　　　　　　　　　　; “滤渣”的主要成分是　　　　　　　　　　　　(填化学式)。
(3)“沉铑”中得到的沉淀经“灼烧”后分解成铑单质,但夹杂少量Rh2O3和RhCl3,则“高温还原”中发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)若“活化还原”在室温下进行,SnCl2初始浓度为1.0×10-4 mol·L-1,为避免生成Sn(OH)2沉淀,溶液适宜的pH为　　　　(填标号)[已知Sn(OH)2的Ksp=5.5×10-28]。
A.2.0 B.4.0 C.6.0
(5)“活化还原”中,SnCl2必须过量,其与Rh(Ⅲ)反应可生成[Rh(SnCl3)5]4-,提升了Rh的还原速率,该配离子中Rh的化合价为　　　　;反应中同时生成[SnCl6]2-,Rh(Ⅲ)以[RhCl6]3-计,则理论上SnCl2和Rh(Ⅲ)反应的物质的量之比为　　　　。
(6)“酸溶3”的目的是　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)除Fe　(2)Rh+6HCl+3HNO3===H3[RhCl6]+3NO2↑+3H2O　SiO2　(3)Rh2O3+3H22Rh+3H2O、2RhCl3+3H22Rh+6HCl　(4)A　(5)+1　6∶1　(6)将Rh与Zn、Sn分离
解析　(1)由流程分析可知,“酸溶1”的目的是除去合金粉中的Fe。(2)已知“酸溶2”中Rh被氧化为H3[RhCl6],王水中浓HNO3被还原为NO2,结合原子守恒及得失电子守恒可知,该反应的化学方程式为Rh+6HCl+3HNO3===H3[RhCl6]+3NO2↑+3H2O。由流程分析可知,“滤渣”的主要成分是SiO2。(3)“沉铑”中得到的沉淀经“灼烧”后含有的少量的Rh2O3和RhCl3被氢气还原为Rh,故“高温还原”中发生反应的化学方程式为Rh2O3+3H22Rh+3H2O和2RhCl3+3H22Rh+6HCl。(4)SnCl2初始浓度为1.0×10-4 mol·L-1,恰好生成Sn(OH)2沉淀时,溶液中c(OH-)=≈2.3×10-12 mol·L-1,pOH≈11.6,pH≈2.4,故为避免生成Sn(OH)2沉淀,溶液适宜的pH应小于2.4,故本题选A。(5)[Rh(SnCl3)5]4-带4个单位负电荷,Sn为+2价,则Rh为+1价。“活化还原”过程中,Rh(Ⅲ)以[RhCl6]3-计,被还原为Rh(Ⅰ),SnCl2被氧化为[SnCl6]2-,同时SnCl2与Cl-结合形成[SnCl3]-,每形成1个[Rh(SnCl3)5]4-需要5个SnCl2,结合原子守恒及得失电子守恒可知,理论上SnCl2和[RhCl6]3-反应的物质的量之比为6∶1。(6)根据上述分析可知,“酸溶3”的目的是将Rh与Zn、Sn分离。
题型特点:新高考命题为更好地体现综合应用考法,彰显反规律、反套路化命题原则,原来的知识边界清晰、考查相对独立的考法(题目的设问大多围绕化工流程知识展开)正逐步向模糊知识界线、“拼盘”融合无缝的方向演变。如“化工流程+原理”“化工流程+实验”“化工流程+物质结构”等一些创新考法出现在2025各省市的自主命题中。
考查角度:
考法 常考题点
基础 考法 1.加快浸取效率或速率的措施及分析; 2.指定物质的结构如电子式、化合价、化学键的分析; 3.流程中涉及的指定溶液或滤渣中的成分判断
综合 考法 1.物质转化中的化学(离子)方程式或指定物质发生某反应的化学(离子)方程式; 2.除杂质离子的pH调节; 3.分离、提纯的原理、操作方法及仪器名称及选择; 4.转化率或产率的有关计算; 5.Ksp的有关计算及Ksp的应用
应用创 新考法 1.涉及图像的反应条件选择; 2.萃取与反萃取; 3.涉及电化学的电极反应及有关计算
1.工艺流程题的一般呈现形式
2.工艺流程题的分析技巧
分析化学工艺流程可以从“物质转化线”和“反应调控线”的两线入手。根据流程的目的、原料和产品确定“物质转化线”,往往涉及到物质的氧化还原性(价态)、酸碱性(类别)和溶解性(类别)等方面;根据流程中某步骤的反应条件、反应环境及采取的工艺确定“反应调控线”,往往从速率、平衡(限度)和氧化还原等角度分析和解决问题,通过两线结合突破化工流程题。
1.(2025·八省联考内蒙古卷)TiO2是冶炼金属钛的重要原料。氟化法从含钛电炉渣(主要含有Ti、Si、Fe、Ca元素)中制备TiO2的流程如下:
回答下列问题:
(1)Ti位于元素周期表　　　　区。
(2)滤渣的主要成分为(NH4)3FeF6和　　　　。
(3)“除铁”步骤溶液中残留的Fe以钠盐形式析出,离子方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(4)“水解”步骤中(NH4)2SiF6和(NH4)2TiF6的水解率(α)与溶液pH的关系如下图所示。为提高分离效果,“水解”的最佳pH为　　　　。水解后的滤液需返回工艺进行循环,目的是　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)“水解”生成(NH4)2TiOF4沉淀的化学方程式为　　　　　　　　　　　　。
(6)“煅烧”产生的气体中可循环使用的物质是　　　　和　　　　(填化学式)。
(7)如下图所示,“煅烧”温度达1 000 ℃时,锐钛矿型TiO2(晶胞Ⅰ,Ti位于晶胞顶点、侧面和体心)转换成金红石型TiO2(晶胞Ⅱ),晶胞体积V(Ⅰ)=0.130 nm3,V(Ⅱ)=0.064 nm3。则晶体密度比=　　　　(填最简整数比)。
答案　(1)d　(2)CaF2
(3)Fe+3Na+===Na3FeF6↓
(4)9.0　循环利用,提高钛元素的利用率,且能减少污染物排放
(5)(NH4)2TiF6+H2O===(NH4)2TiOF4↓+2HF↑
(6)NH3　HF
(7)
解析　含钛电炉渣氟化浸出的滤渣为(NH4)3FeF6和生成的CaF2沉淀,浸出液加入饱和食盐水除去铁,滤液加入氨水水解生成(NH4)2TiOF4,加入水蒸气煅烧得到二氧化钛;(1)Ti为22号元素,位于元素周期表d区。(2)由分析,滤渣的主要成分为(NH4)3FeF6和CaF2;(3)“除铁”步骤溶液中残留的Fe和钠离子结合以钠盐形式析出,离子方程式为Fe+3Na+===Na3FeF6↓;(4)“水解”步骤中(NH4)2SiF6和(NH4)2TiF6通过水解使得其中(NH4)2TiF6生成水解产物(NH4)2TiOF4沉淀而和(NH4)2SiF6分离,结合图可知,“水解”的最佳pH为9.0,此时(NH4)2SiF6几乎不水解、(NH4)2TiF6水解进入沉淀;水解后的滤液需返回工艺进行循环,目的是循环利用,提高钛元素的利用率,且能减少污染物排放;(5)(NH4)2TiF6“水解”生成(NH4)2TiOF4沉淀,结合质量守恒还生成HF,反应为(NH4)2TiF6+H2O===(NH4)2TiOF4↓+2HF↑;(6)(NH4)2TiOF4 和水蒸气“煅烧”生成二氧化钛和气体,结合质量守恒,气体为氨气和HF,可以分别在氟化浸出、水解环节循环使用,故产生的气体中可循环使用的物质是NH3和HF;(7)据“均摊法”, 晶胞Ⅰ中含8×+1=2个Ti,结合化学式,则1个晶胞中分别含有4个、2个TiO2,则。
2.(2025·河北卷)铬盐产品广泛应用于化工、医药、印染等领域。通过闭环生产工艺将铬铁矿转化为重铬酸钾,同时回收利用钾资源,可实现绿色化学的目标。流程如下:
已知:铬铁矿主要成分是Fe(CrO2)2、Mg(CrO2)2、Al2O3、SiO2。
回答下列问题:
(1)基态铬原子的价层电子排布式:　　　　　　　　　　　　。
(2)煅烧工序中Fe(CrO2)2反应生成K2CrO4的化学方程式:　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)浸取工序中滤渣Ⅰ的主要成分:Fe2O3、H2SiO3、　　　　　　　　、　　　　　　　　　　　 (填化学式)。
(4)酸化工序中需加压的原因:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)滤液Ⅱ的主要成分:　　　　　　　　　　　 (填化学式)。
(6)补全还原、分离工序中发生反应的化学方程式:
Fe(CO)5+　　　　+　　　　=== Cr(OH)3↓+　　　　+　　　　+　　CO↑
(7)滤渣Ⅱ可返回　　　　　　　　　　　　工序。(填工序名称)
答案　(1)3d54s1　(2)4Fe(CrO2)2+7O2+16KOH8K2CrO4+2Fe2O3+8H2O
(3)MgO　Al(OH)3　(4)增大CO2的溶解度,保证酸化反应充分进行　(5)KHCO3　(6)K2CrO4　4H2O　Fe(OH)3↓　2KOH　5　(7)煅烧
解析　(1)铬为24号元素,基态铬原子的价层电子排布式为3d54s1。(2)在空气中煅烧时Fe(CrO2)2与过量KOH、空气中的氧气发生反应,生成K2CrO4,铁元素被氧化为Fe2O3,根据得失电子守恒、原子守恒配平,可得该反应的化学方程式为4Fe(CrO2)2+7O2+16KOH8K2CrO4+2Fe2O3+8H2O。(3)由流程梳理可知,滤渣Ⅰ中除了Fe2O3、H2SiO3外,还有MgO和Al(OH)3。(4)“酸化”过程中通入过量CO2调节pH,使K2CrO4转化为K2Cr2O7,加压是为了增大CO2的溶解度,从而提高“酸化”的反应速率和K2CrO4的转化率。(5)由流程梳理可知,“酸化”后溶液中主要含有K2Cr2O7和KHCO3,“分离”后得到K2Cr2O7,故滤液Ⅱ的主要成分为KHCO3。(6)还原、分离工序中Fe(CO)5作还原剂,将滤液Ⅰ中剩余的K2CrO4还原为Cr(OH)3,自身转化为Fe(OH)3,根据得失电子守恒、原子守恒配平,可得该反应的化学方程式。(7)滤渣Ⅱ主要成分为Cr(OH)3和Fe(OH)3,可返回煅烧工序中。
大题通关练(三)　化工流程综合题
1.(2023·河北卷)闭环循环有利于提高资源利用率和实现绿色化学的目标。利用氨法浸取可实现废弃物铜包钢的有效分离,同时得到的CuCl可用于催化、医药、冶金等重要领域。工艺流程如下:
已知:室温下的Ksp(CuCl)=10-6.8。
回答下列问题:
(1)首次浸取所用深蓝色溶液①由铜毛丝、足量液氨、空气和盐酸反应得到,其主要成分为　　　　(填化学式)。
(2)滤渣的主要成分为　　　　(填化学式)。
(3)浸取工序的产物为[Cu(NH3)2]Cl,该工序发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
浸取后滤液的一半经氧化工序可得深蓝色溶液①,氧化工序发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)浸取工序宜在30~40 ℃之间进行,当环境温度较低时,浸取液再生后不需额外加热即可进行浸取的原因是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)补全中和工序中主反应的离子方程式
[Cu(NH3)2]++2H++Cl-===　　　　+　　　　。
(6)真空干燥的目的为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)[Cu(NH3)4]Cl2　(2)Fe
(3)[Cu(NH3)4]Cl2+Cu===2[Cu(NH3)2]Cl　8NH3+4[Cu(NH3)2]++O2+4H+===4[Cu(NH3)4]2++2H2O　(4)盐酸和液氨反应放热　(5)CuCl↓　2N　(6)防止干燥过程中CuCl被空气中的O2氧化
解析　由题给流程可知,铜包钢用由铜毛丝、足量液氨、空气和盐酸反应得到的[Cu(NH3)4]Cl2深蓝色溶液浸取,将铜转化为[Cu(NH3)2]Cl,过滤得到含有铁的滤渣和[Cu(NH3)2]Cl滤液;将滤液的一半经氧化工序将[Cu(NH3)2]Cl转化为可以循环使用的[Cu(NH3)4]Cl2;滤液的一半加入硫酸、盐酸中和,将[Cu(NH3)2]Cl转化为硫酸亚铜和氯化亚铜沉淀,过滤得到含有硫酸铵、硫酸亚铜的滤液和氯化亚铜;氯化亚铜经盐酸、乙醇洗涤后,真空干燥得到氯化亚铜;硫酸亚铜溶液发生置换反应生成海绵铜。(1)由分析可知,由铜毛丝、足量液氨、空气和盐酸反应得到的深蓝色溶液①为[Cu(NH3)4]Cl2;(3)由分析可知,浸取工序发生的反应为[Cu(NH3)4]Cl2溶液与铜反应生成[Cu(NH3)2]Cl,反应的化学方程式为[Cu(NH3)4]Cl2+Cu===2[Cu(NH3)2]Cl;氧化工序中[Cu(NH3)2]Cl发生的反应为[Cu(NH3)2]Cl溶液与氨水、氧气反应生成[Cu(NH3)4]Cl2和水,反应的离子方程式为8NH3+4[Cu(NH3)2]++O2+4H+===4[Cu(NH3)4]2++2H2O;(4)浸取工序中盐酸与氨水反应生成氯化铵和水的反应为放热反应,反应放出的热量可以使反应温度保持在30~40 ℃之间,所以当环境温度较低时,浸取液再生后不需额外加热即可进行浸取;(5)由题给方程式可知,溶液中加二氨合亚铜离子与氯离子、氢离子反应生成氯化亚铜沉淀和铵根离子,反应的离子方程式为[Cu(NH3)2]++2H++Cl-===CuCl↓+2N;(6)氯化亚铜易被空气中的氧气氧化,所以为了防止干燥过程中氯化亚铜被氧化,应采用真空干燥的方法干燥。
2.(2023·辽宁卷)某工厂采用如下工艺处理镍钴矿硫酸浸取液(含Ni2+、Co2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+和Mn2+)。实现镍、钴、镁元素的回收。
已知:
物质 Fe(OH)3 Co(OH)2 Ni(OH)2 Mg(OH)2
Ksp 10-37.4 10-14.7 10-14.7 10-10.8
回答下列问题:
(1)用硫酸浸取镍钴矿时,提高浸取速率的方法为
　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　(答出一条即可)。
(2)“氧化”中,用石灰乳调节pH=4,Mn2+被H2SO5氧化为MnO2,该反应的离子方程式为
　　　　　　　　　　　 (H2SO5的电离第一步完全,第二步微弱);滤渣的成分为MnO2、　　　　　　　　(填化学式)。
(3)“氧化”中保持空气通入速率不变,Mn(Ⅱ)氧化率与时间的关系如下。SO2体积分数为　　　　　　时,Mn(Ⅱ)氧化速率最大;继续增大SO2体积分数时,Mn(Ⅱ)氧化速率减小的原因是　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(4)“沉钴镍”中得到的Co(Ⅱ)在空气中可被氧化成CoO(OH),该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)“沉镁”中为使Mg2+沉淀完全(25 ℃),需控制pH不低于　　　　　　(精确至0.1)。
答案　(1)适当增大硫酸浓度或适当升高温度或将镍钴矿粉碎增大接触面积(合理即可)
(2)H2O+Mn2++HS+3H+　Fe(OH)3、CaSO4
(3)9.0%　SO2有还原性,也能还原H2SO5
(4)4Co(OH)2+O2===4CoO(OH)+2H2O
(5)11.1
解析　在“氧化”中,混合气在金属离子的催化作用下产生具有强氧化性的过一硫酸(H2SO5),用石灰乳调节pH=4,Mn2+、Fe2+被H2SO5氧化为MnO2、Fe3+,发生反应H2O+Mn2++HS+3H+,同时Fe3+水解生成氢氧化铁,“沉钴镍”过程中,Co2+变为Co(OH)2,在空气中可被氧化成CoO(OH)。(1)用硫酸浸取镍钴矿时,为提高浸取速率可适当增大硫酸浓度、升高温度或将镍钴矿粉碎增大接触面积(合理即可);(2)用石灰乳调节pH=4,Mn2+被H2SO5氧化为MnO2,该反应的离子方程式为:H2O+Mn2++HS+3H+;氢氧化铁的Ksp=10-37.4,当铁离子完全沉淀时,溶液中c(Fe3+)=10-5 mol·L-1,Ksp=c3(OH-)×c(Fe3+)=c3(OH-)×10-5=10-37.4,c(OH-)=10-10.8 mol·L-1,根据Kw=10-14,pH=3.2,此时溶液的pH=4,则铁离子完全水解,生成氢氧化铁沉淀,故滤渣还有氢氧化铁和CaSO4;(3)根据图示可知SO2体积分数为9.0%时,Mn(Ⅱ)氧化速率最大;SO2具有还原性,也能还原H2SO5,其体积分数过大时,与H2SO5反应,使Mn(Ⅱ)氧化速率减小;(4)“沉钴镍”中得到的Co(OH)2,在空气中可被氧化成CoO(OH),该反应的化学方程式为:4Co(OH)2+O2===4CoO(OH)+2H2O;(5)氢氧化镁的Ksp=10-10.8, 当镁离子完全沉淀时,c(Mg2+)=10-5 mol·L-1,根据Ksp可计算c(OH-)=10-2.9 mol·L-1,根据Kw=10-14,c(H+)=10-11.1 mol·L-1,所以溶液的pH=11.1。
3.(2025·日照市一模)以赤泥熔炼渣(主要成分为Fe2O3、SiO2、CaO,少量Sc2O3)为原料分离稀土元素钪(Sc)的一种工艺流程如下:
已知:①萃取剂为磷酸三丁酯、磷酸二丁酯和磺化煤油;
②Sc3+的氧化性很弱。
回答下列问题:
(1)“浸渣”的主要成分为　　　　　　(填化学式)。
(2)“反萃取”的目的是分离Sc和Fe元素。向“萃取液”中加入NaOH,(Fe2+、Fe3+、Sc3+)的沉淀率随pH的变化如图。试剂X为　　　　　　(填Na2SO3或NaClO),应调节pH最佳为　　　　　　　　　　　　。
(3)已知Sc2(C2O4)3难溶于水,难溶于酸;(H2C2O4)=a,(H2C2O4)=b,Ksp[Sc2(C2O4)3]=c,“沉钪”时,发生反应:2Sc3++3H2C2O4===Sc2(C2O4)3↓+6H+,此反应的平衡常数K=　　　　　　。(用含a、b、c代数式表示)
(4)Sc2(C2O4)3经系列操作可得ScCl3·6H2O,ScCl3·6H2O加热脱水时生成ScOCl的化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(5)在一定条件下,一种物质在两种互不相溶的溶剂A、B中的浓度之比是一个常数(分配系数Kd) Kd=;萃取率=×100%。萃取Sc的过程中,若Sc元素的分配系数Kd==7.5,取100 mL含钪的溶液,一次性加入60 mL萃取剂,则Sc的萃取率为　　　　　　%(保留到小数点后一位,下同);若将60 mL萃取剂分成3次萃取,每次用20 mL,则最后一次水层中钪的残留率为　　　　　　　　　　　　%。
答案　(1)CaSO4、SiO2　(2)Na2SO3　2　(3)
(4)ScCl3·6H2OScOCl+2HCl↑+5H2O
(5)81.8　6.4
解析　熔炼渣主要成分为Fe2O3、SiO2、CaO,少量Sc2O3,其中二氧化硅不溶,氧化钙和硫酸反应生成硫酸钙,故“浸渣”的主要成分为CaSO4、SiO2;Fe2O3和Sc2O3和硫酸反应生成相应的盐,随后用萃取剂萃取,将钪元素和铁元素分离出来,加入试剂X将三价铁还原为二价铁,加入氢氧化钠实现钪和铁的分离,过滤后加入硝酸溶解,随后加入草酸沉钪,处理后得到单质钪。(2)由图可知,二价铁更容易和Sc分离,故试剂X应该是将三价铁转化为二价铁,则试剂X为Na2SO3;由图可知,pH为2时,二价铁没有沉淀,Sc的沉淀率已经很大,故应调节pH最佳为2;(3)已知(H2C2O4)=a,(H2C2O4)=b,Ksp[Sc2(C2O4)3]=c,则结合平衡常数的定义可知反应2Sc3++3H2C2O4===Sc2(C2O4)3+6H+的平衡常数K=;(5)设100 mL含Sc的溶液中Sc的物质的量为a mol,一次性加入60 mL萃取剂,其中可以萃取的Sc的物质的量为x mol,则Kd==7.5,解得x=0.818a,Sc的萃取率=×100%=81.8%;若将60 mL萃取剂分成3次萃取,每次用20 mL,设100 mL含Sc的溶液中Sc的物质的量为a mol,一次性加入20 mL萃取剂,其中可以萃取的Sc的物质的量为x mol,则Kd==7.5,解得x=0.6a,Sc的萃取率=×100%=60%,钪的残留率为1-60%=40%,每次萃取时,使用的萃取剂体积都是20 mL,则每次的萃取率相同,故最后一次水层中钪的残留率=40%×40%×40%=6.4%。
4.(2025·潍坊市高三3月模拟)钴及其化合物广泛应用于磁性材料、电池材料等领域。一种用某含钴铜渣(主要成分Co和Cu,含Co3S4、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2等)制备Co单质的流程如下:
已知:①酸性条件下Co3+有氧化性;
②当反应的平衡常数K>105时,可以认为反应进行完全;Ksp(CoC2O4)=10-8.48,草酸的电离常数=5.6×10-2,=1.5×10-4。
回答下列问题:
(1)Co3S4具有磁性,Co3S4中Co的化合价为　　　　　　;“还原浸出”中加入亚硫酸钠的作用是　　　　　　。
(2)回收S时,温度控制在50~60 ℃之间,原因是　　　　　　　　　　　　。
(3)在“除铜”操作中,通过控制体系酸度和电位可实现将溶液中的Cu2+转化为Cu(s)而除去,符合要求的反应体系是　　　　　　。
A.pH=1.5,E=0 V B.pH=4,E=0.4 V
C.pH=8,E=0.2 V D.pH=-1,E=0.1 V
(4)“氧压水解分离”发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(5)可通过电解精炼粗钴制取钴单质,用硫酸钴溶液作为电解质,控制阴极室pH为3~5之间,若pH过低,会影响产率,原因是　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
(6)“沉钴”时,若用草酸代替草酸铵溶液、试通过计算来说明草酸能否实现完全沉钴　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)+3,+2　还原Co3+和Fe3+
(2)温度过高苯易挥发,温度过低硫的溶解速率(或溶解度)小　(3)A
(4)4Fe2++O2+4H2O===2Fe2O3↓+8H+
(5)H+浓度大,先于Co2+放电
(6)Co2++H2C2O4CoC2O4↓+2H+;K==8.4×102.48<105,钴离子沉淀不完全
解析　(1)Co3S4中S为-2价,Co的化合价为+3,+2;“还原浸出”中加入亚硫酸钠的作用是还原Co3+和Fe3+。(2)滤渣中包括S和二氧化硅,用苯萃取滤渣可回收S,为保证萃取分离速度和效率,需要温度控制在50~60 ℃之间,原因是温度过高苯易挥发,温度过低硫的溶解速率(或溶解度)小。(3)在“除铜”操作中,通过控制体系酸度和电位可实现将溶液中的Cu2+转化为Cu(s)而除去,符合要求的反应体系是pH=1.5,E=0 V,故答案为A。(5)可通过电解精炼粗钴制取钴单质,用硫酸钴溶液作为电解质,控制阴极室pH为3~5之间,若pH过低,会影响产率,原因是H+浓度大,先于Co2+放电。(6)Co2++H2C2O4CoC2O4↓+2H+;K==8.4×102.48<105,钴离子沉淀不完全。
5.(2025·绵阳模拟)金属镓有“电子工业脊梁”的美誉,与铝的化学性质类似,广泛应用于电子、航空航天、光学等领域。从刚玉渣(含钛、镓的低硅铁合金,还含有少量氧化铝)回收镓的流程如图所示:
室温时,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
金属离子 Ga3+ Al3+ Fe3+ Fe2+
开始沉淀时(c=0.01 mol·L-1)的pH 4.5 3.7 2.2 7.5
完全沉淀时(c=1.0×10-5 mol·L-1)的pH 5.5 4.7 3.2 9.0
(1)基态镓原子的价层电子排布式为　　　　　　　　　　　　。
(2)从溶液中得到FeSO4·7H2O的具体操作为　　　　　　、　　　　　　、过滤、洗涤、干燥。
(3)“中和沉淀”过程中分离出的滤渣①有Fe(OH)3和　　　　　　(填化学式),若滤液②中阳离子浓度均为0.1 mol·L-1,“中和沉淀”过程中pH应调节的范围为　　　　　　。
(4)“碱浸”时镓元素发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　。
(5)“碳酸化”过程中为防止镓损耗,不能通入过量CO2的原因为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　(用离子方程式表示)。
(6)以纯镓为原料可制得GaN,GaN晶体的一种立方晶胞如图所示,Ga的配位数为　　　　　,已知晶胞中Ga和N的最近距离为a nm,阿伏加德罗常数的值为NA,则GaN的晶体密度为　　　　　　 g·cm-3(列出计算式)。
答案　(1)4s24p1　(2)蒸发浓缩　冷却结晶
(3)Al(OH)3、Ga(OH)3　5.5≤pH<7
(4)Ga(OH)3+OH-===[Ga(OH)4]-
(5)[Ga(OH)4]-+CO2===Ga(OH)3↓+HC
(6)4　×1021
解析　刚玉渣加入硫酸酸化,滤渣中含有Ti和Si单质,滤液中含有Ga3+、Al3+、Fe2+、Fe3+,通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到FeSO4·7H2O晶体,滤液中含有Ga3+、Al3+、Fe3+,加入NaOH“中和沉淀”得到含Fe(OH)3、Al(OH)3、Ga(OH)3的滤渣①,再加入NaOH溶液碱浸,Al(OH)3、Ga(OH)3溶解,分别生成Na[Al(OH)4]和Na[Ga(OH)4],除去Fe(OH)3,向滤液中通入适量的CO2,Na[Al(OH)4]生成Al(OH)3,Na[Ga(OH)4]不发生反应,电解含有Na[Ga(OH)4]的溶液得到Ga单质。(3)若滤液②中阳离子浓度均为0.1 mol·L-1,“中和沉淀”过程中Ga3+要完全沉淀,而Fe2+不沉淀,由表格数据可知,pH=9.0时Fe2+完全沉淀,此时pOH=5,Ksp[Fe(OH)2]=c(Fe2+)·c2(OH-)=10-5×10-5×2=10-15,滤液②中阳离子浓度均为0.1 mol·L-1,则需控制c(OH-)= mol·L-1=10-7 mol·L-1,pH=7,故pH应调节的范围为5.5≤pH<7。(6)由图可知,Ga的配位数为4;已知晶胞中Ga和N的最近距离为a nm,其距离为体对角线长的,则晶胞参数为a nm,根据“均摊法”,晶胞中含8×=4个Ga、4个N,则晶体密度为×1021 g·cm-3。

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