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专题六　水溶液中的离子平衡
化工流程中物质的分离与提纯
1.化工生产过程中的分离、提纯、除杂
化工生产过程中分离、提纯、除杂等环节,与高中化学基本实验的原理紧密联系,包括蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥,或蒸馏、萃取、分液等基本实验操作及原理,并要熟悉所用到的相关仪器。
2.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(至有晶膜出现)、冷却结晶、过滤、洗涤(冰水洗、热水洗、乙醇洗等)、干
燥。
(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。
(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
洗涤试剂 适用范围 目的
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
洗涤沉淀的方法: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,防止其受热分解、氧化等。
3.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物质(如NaCl)采取蒸发结晶的方法。
(2)溶解度受温度影响较大的物质采取蒸发浓缩、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.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:
由“母液4”获取NiSO4·7H2O的操作是　　　　、　　　　、过滤、洗涤。
蒸发浓缩
　冷却结晶
【解析】NiSO4·7H2O是结晶水合物,故由“母液4”获取NiSO4·7H2O的操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤。
2.(2024·云南联考)铈(Ce)的氧化物在半导体材料、高级颜料及汽车尾气的净化器方面有广泛应用。以氟碳铈矿(含CeFCO3、BaO、SiO2等)为原料制备CeO2的工艺流程如下图:
回答下列问题:
(1)实验室进行操作①所需的玻璃仪器有烧杯、　　　　　　　　　。
(2)“系列操作”包含下图几个过程:
已知:Ce3+不能溶于有机物TBP;CeF3+能溶于有机物TBP,且存在反应CeF3++TBP CeTBP4++F-。“滤液A”中加入有机物TBP后的分离方法是　　　 。
漏斗、玻璃棒
分液
【解析】(1)操作①为固液分离,是过滤操作,所需的玻璃仪器有烧杯、漏
斗、玻璃棒。
(2)滤液A中的CeF3+能溶于有机物TBP,振荡静置后的水层与有机层采用分液的方法进行分离。
3.碘化镍(NiI2)在二维形式上具有“多铁性”,某小组以废镍催化剂(主要成分是Ni,含少量Zn、Fe、CaO、SiO2等杂质)为原料制备碘化镍的流程如下:
请回答下列问题:
(1)滤渣1的成分是CaSO4、　　　 　(填化学式)。滤渣2经过洗涤、干燥、
　　　　(填操作名称)可制铁红。
(2)“萃取”中,萃取剂的密度小于1 g·cm-3,若在实验室中分离萃取液,具体操作是　 。
SiO2　
灼烧
取下分液漏斗塞子,旋开活塞,放出下层液体,待下层液体刚好放完,立即关闭活塞,从上口倒出萃取液
【解析】(1)SiO2不溶于硫酸,CaSO4微溶于水,所以滤渣1的成分是CaSO4、SiO2;“除铁”时,加入NaClO溶液将Fe2+氧化为Fe(OH)3除去,故滤渣2是Fe(OH)3,经过洗涤、干燥、灼烧,Fe(OH)3分解可制铁红。
(2)“萃取”中,萃取剂的密度小于1 g·cm-3,萃取液在上层,若在实验室中分离萃取液,具体操作是取下分液漏斗塞子,旋开活塞,放出下层液体,待下层液体刚好放完,立即关闭活塞,从上口倒出萃取液。
4.(2025·广东深圳调研节选)一种从石煤灰渣(主要含V2O5、SiO2、Al2O3及Fe2O3等)中提取钒的工艺流程如下:
已知:萃取剂(HR)与阳离子的结合能力:Fe3+ VO2+ Al3+>Fe2+;萃取VO2+的原理为2HR+VO2+ VOR2+2H+;“中间盐”中的金属阳离子均为+3价;含V3+的硫酸盐难溶于水;Ksp[Al(OH)3]=4×10-33。
(1)“酸浸”时,钒主要以V的形式进入溶液。
①为提高浸取率,可采取的措施是　　　 　(任写一条)。
②V2O5发生反应的化学方程式为　　　 　。
“适当升温”“搅拌”“将灰渣进一步粉碎”“适当增加酸的浓度”等,答案合理即可
V2O5+H2SO4═(VO2)2SO4+H2O
(2)“还原结晶”所得“溶液3”的主要阳离子及其浓度如下表:
阳离子 H+ V Al3+ Fe3+
浓度/ 10.79 0.0041 0.11 0.029
据此分析“溶液3”可在　　　 　工序循环利用。
(3)“中间盐”的一种含钒物质为NH4V;“溶解”后,所得溶液中钒主要以VO2+的形式存在。该含钒物质“溶解”时发生反应的离子方程式为
___________________________4VO2++4H++4N+8S________________________________。
(4)“还原”步骤的主要目的是______________________________________。
酸浸
4NH4V(SO4)2+O2+2H2O
将Fe3+转化为Fe2+,避免Fe3+影响VO2+的萃取
(5)“萃取”前,需调节溶液pH。
①已知萃取前溶液中c(Al3+)=0.4 mol·L-1,理论上,为避免产生Al(OH)3沉淀,应调节溶液pH小于　　　　(保留一位小数)。
②实际上,溶液pH也不能过低,其原因是______________________________　
　 。
3.3
pH过低,即c(H+)浓度过大,会导致
萃取反应2HR+VO2+ VOR2+2H+的平衡逆向移动,不利于V进入有机相
【解析】酸浸时,V2O5、Al2O3、Fe2O3溶于稀硫酸,得到V、Fe3+、Al3+,而SiO2不溶于稀硫酸而除去,溶液1中加入(NH4)2SO4固体,得到NH4Al(SO4)2·12H2O,而溶液2中加入添加剂,得到中间盐,“中间盐”中一种含钒物质为NH4V(SO4)2,在热水、空气、酸性条件下溶解,“溶解”后,所得溶液中钒主要以VO2+的形式存在,加入铁粉会将三价铁离子还原为二价铁离子,氨水调节溶液pH后,经萃取、反萃取得到钒溶液,最终得到钒材料。(1)①为提高浸取率,可采取的措施有:适当增加酸的浓度、适当提高反应温度、搅拌、将灰渣进一步粉碎等;②根据题干信息,“酸浸”时,钒主要以V的形式进入溶液,V2O5与硫酸反应的化学方程式为:V2O5+H2SO4═
(VO2)2SO4+H2O;(2)根据表中阳离子浓度,溶液3中主要阳离子为H、VO-、Al3和Fe3,由于H+浓度最高,溶液3可以在酸浸工序循环利用,以充分利用其中的酸;(3)由题干信息:含V3+的硫酸盐难溶于水,“中间盐”的一种含钒物质为NH4V(SO4)2发生溶解工序,已知“溶解”后,所得溶液中钒主要以VO2+的形式存在,“溶解”时发生反应的离子方程式为:4NH4V(SO4)2+O2+2H2O
4VO2++4H++4N+8S;(4)根据由题干信息,酸浸后溶液中存在Fe3+且萃取剂(HR)与阳离子的结合能力:Fe3+ VO2+ Al3+ Fe2+,还原步骤的主要目的是将Fe3+还原为Fe2+,以便在后续的萃取步骤中,萃取剂HR优先与VO2+结合,提高钒的提取效率,所以还原步骤的目的是:将Fe3+转化为Fe2+,避免Fe3+
影响VO2+的萃取;(5)①已知Al(OH)3的溶度积Ksp=4×10-33,溶液中Al3+浓度为0.4 mol/L,根据溶度积公式:Ksp=c(Al3+)c3(OH-)解得:c(OH-)=
==1×1 mol/L,c(H+)===1×1 mol/L,pH=-lgc(H+)=≈3.3,为避免产生Al(OH)3沉淀,pH应小于3.3; ②pH过低,即c(H+)浓度过大,会导致萃取反应2HR+VO2+ VOR2+2H+的平衡逆向移动,不利于V进入有机相,降低了钒元素的萃取率。
1.(2025·陕西卷)一种综合回收电解锰工业废盐(主要成分为Mn2+、Mg2+、N的硫酸盐)的工艺流程如下。
已知:①常温下Ksp(MgCO3)=10-5.17,
Ksp=10-11.25,
Ksp=10-12.72;
②S2结构式为 。
回答下列问题:
(1)制备废盐溶液时,为加快废盐溶解,可采取的措施有　　　　 、
　　　　 。(写出两种)
(2)“沉锰I”中,写出形成的Mn(OH)2被氧化成Mn3O4的化学方程式
　　　　　　 　　。当Mg2+(c=10-0.68mol·L-1)将要开始沉淀时,溶液中剩余Mn2+浓度为　　　 　mol·L-1。
(3)“沉锰Ⅱ”中,过量的S2O8经加热水解去除,最终产物是NH4HSO4和
　　　　(填化学式)。
搅拌　
适当升温等
6Mn(OH)2+O2═2Mn3O4+6H2O
10-2.15
O2
(4)“沉镁I”中,当pH为8.0~10.2时,生成碱式碳酸镁[xMgCO3·yMg(OH)2·zH2O],煅烧得到疏松的轻质MgO。pH过大时,不能得到轻质MgO的原因是______________________________________________
_____________________。
pH过大,沉淀为Mg(OH)2,不能分解产生CO2,不能得到疏松的轻质MgO
【解析】(1)加快废盐的溶解可以采取搅拌、适当升温、粉碎等;
(2)Mn(OH)2被O2氧化得到Mn3O4,化学方程式为:
6Mn(OH)2+O2═2Mn3O4+6H2O;
根据===,
c=10-2.15 mol/L;
(3)“沉锰Ⅱ”中,过量的S2O8经加热水解去除,S2O8中存在过氧键,在加热和水存在下发生水解,生成NH4HSO4和H2O2:S2O8+2H2O═2NH4HSO4+H2O2,H2O2分解2H2O2═2H2O+O2↑,总反应为2S2O8+2H2O═4NH4HSO4+O2↑,最终产物是NH4HSO4和O2;
(4)煅烧有CO2生成,可以得到疏松的轻质氧化镁,pH过大,沉淀为Mg(OH)2,不能分解产生CO2,不能得到疏松的轻质MgO。
2.(2025·江苏卷节选)ZnS可用于制备光学材料和回收砷。
(1)制备ZnS。由闪锌矿[含ZnS、FeS及少量硫化镉(CdS)等]制备ZnS的过程如下:
已知:Ksp(ZnS)=1.6×10-24,Ksp(CdS)=8.0×10-27,(H2S)=1.0×10-7,(H2S)
=1.2×10-13。当离子浓度小于1.0×10-5mol·L-1时,认为离子沉淀完全。
①酸浸时通入O2可提高Zn2+浸出率的原因是__________________________
_____________________。
氧化S2-生成S,促进酸浸
反应正向进行　
②通入H2S除镉。通过计算判断当溶液pH=0、c(H2S)=0.01 mol·L-1时,Cd2+是否沉淀完全 　 (填“是”或“否”,并写出计算过程)。
否
pH=0时,c=1 mol·L-1
c=
= mol·L-1
=1.2×10-22 mol·L-1
c)== mol·L-1≈6.67×10-5 mol·L-1>1.0×10-5 mol·L-1,则Cd2+未沉淀完全
③沉锌前调节溶液的pH至4~5,加入的氧化物为　　　　(填化学式)。
ZnO
【解析】(1)①酸浸时,若不通入O2,会发生反应:ZnS+H2SO4 ZnSO4+H2S,通入O2可以氧化S2-生成S,促进酸浸反应正向进行,提高Zn2+浸出率;
②通入H2S除镉,当溶液pH=0、c=0.01 mol·L-1时,c=1 mol·L-1, 又因为=1.0×10-7,=1.2×10-13,×
=×=,则c= mol/L=1.2×10-22 mol/L,则此时c== mol/L=6.6×10-5 mol/L,此时Cd2+的浓度大于1.0×10-5 mol·L-1,离子沉淀不完全。
③由②知,除镉时溶液酸性较强,故应在不引入新杂质的同时消耗溶液中的H+,加入的氧化物为ZnO。
3.(2025·湖南卷 )一种从深海多金属结核[主要含MnO2、FeO(OH)、SiO2,有少量的Co2O3、Al2O3、NiO、CuO]中分离获得金属资源和电池级镍钻锰混合溶液(NiSO4、CoSO4、MnSO4)的工艺流程如下:
已知:①金属氢氧化物胶体具有吸附性,可吸附金属阳离子。
②常温下,溶液中金属离子(假定浓度均为0.1 mol·L-1)开始沉淀和完全沉淀(c≤1.0×10-5mol·L-1)的pH:
离子 Fe3+ Al3+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Mn2+
开始沉 淀的pH 1.9 3.3 4.7 6.9 7.4 8.1
完全沉 淀的pH 3.2 4.6 6.7 8.9 9.4 10.1
回答下列问题:
(1)基态Ni的价层电子排布式为　　　　。
(2)“酸浸还原”时,“滤渣”的主要成分是　　　　(写化学式);SO2还原Co2O3的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)“沉铁”时,Fe2+转化为Fe2O3的离子方程式为　　　　　　 　　　,加热至200 ℃的主要原因是______________________
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)“沉铝”时,未产生Cu(OH)2沉淀,该溶液中c(Cu2+)不超过　　　 mol·L-1。
3d84s2
SiO2
SO2+Co2O3+H2SO4═2CoSO4+H2O
4Fe2++O2+4H2O
2Fe2O3+8H+
防止形成Fe(OH)3胶体,防止其吸附其他金属阳离子,造成产率下降
1×10-2
【解析】(1)Ni原子的价电子是指3d和4s能级上的电子,所以基态Ni原子的价电子排布式为3d84s2;
(2)由分析可知,“酸浸还原”时,“滤渣”的主要成分是SiO2;SO2将3价钴还原为2价钴,同时由于硫酸的作用得到CoSO4,化学方程式为SO2+Co2O3+H2SO4═2CoSO4+H2O;
(3)“沉铁”时,Fe2+转化为Fe2O3,铁元素化合价上升,则O2做氧化剂,离子反应为:4Fe2++O2+4H2O 2Fe2O3+8H+;已知金属氢氧化物胶体具有吸附性,可吸附金属阳离子,则加热至200℃的主要原因是防止形成Fe(OH)3胶体,防止其吸附其他金属阳离子,造成产率下降;
(4)由表可知,Ksp=1.0×10-5 mol/L×=10-19.6,“沉铝”时,未产生Cu(OH)2沉淀,则c<= mol/L=1×10-2 mol/L;　
4.(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]中提取铍的路径如下:
已知:Be2++4HA BeA2(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。
快速冷却
先产生白色沉淀,且沉淀立刻溶解
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进入煤油中,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)反萃取时有机相中存在BeA2(HA)2,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,反应的化学方程式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。
5.(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)“热浸”时,难溶的PbS和Ag2S转化为和及单质硫。溶解等物质的量的PbS和Ag2S时,消耗Fe3+物质的量之比为　　　 　;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　　　 　。
1∶1
H2S
热浸
(3)“还原”中加入铅精矿的目的是　 。
(4)“置换”中可选用的试剂X为　　　　(填字母)。
A.Al B.Zn C.Pb D.Ag
“置换”反应的离子方程式为　　 　 　。
(5)“电解Ⅱ”中将富银铅泥制成电极板,用作　　　　(填“阴极”或“阳极”)。
将过量的Fe3+还原为Fe2+
C
Pb+2[AgCl2]-═2Ag+[PbCl4]2-
阳极
【解析】本题以铅精矿(含PbS,Ag2S等)为主要原料提取金属Pb和Ag, “热浸”时,难溶的PbS和Ag2S转化为及单质硫,Fe3+被还原为Fe2+,过滤I除掉单质硫滤渣,滤液中在稀释降温的过程中转化为PbCl2沉淀,然后用饱和食盐水热溶,增大氯离子浓度,使PbCl2又转化为,电解得到Pb;过滤Ⅱ后的滤液成分主要为、FeCl2、FeCl3,故加入铅精矿主要将FeCl3还原为FeCl2,试剂X将置换为Ag,得到富银铅泥,试剂X为铅,尾液为FeCl2。(1)“热浸”时,Fe3+将PbS和Ag2S中-2价的硫氧化为单质硫,Fe3+被还原为Fe2+,在这个过程中Pb和Ag的化合价保持不变,所以等物质的量的PbS和Ag2S时,S2-物质的量相等,所以消耗Fe3+的物质的量相等,比值为1∶1;溶液中盐酸浓度过大,这里主要考虑氢离子浓度会过大,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,电解溶液制备金属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+。
(4)“置换”中加入试剂X可以得到富银铅泥,为了防止引入其他杂质,则试剂X应为Pb,发生的反应为:Pb+2[AgCl2]-═2Ag+[PbCl4]2-。
(5)“电解Ⅱ”中将富银铅泥制成电极板,电解Ⅱ得到金属银和金属铅,将银和铅分离出来,所以不可能作为阴极,应作为阳极板,阳极放电时,银变成阳极泥而沉降下来,铅失电子为Pb2+,阴极得电子得到Pb,所以电极板应作阳极。

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