1、1专项提能训练(一)金属及其化合物在化工流程中的转化1.以赤铁矿主要成分为 Fe2O3(质量分数约为 60.0%),杂质为 FeO(质量分数约为 3.6%)、Al2O3、MnO 2、CuO 等为原料制备高活性铁单质的主要生产流程如图所示:已知部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的 pH 如表所示:沉淀物 Fe(OH)3 Al(OH)3 Fe(OH)2 Cu(OH)2pH 3.4 5.2 9.7 6.7请回答下列问题:(1)含杂质的赤铁矿使用前要将其粉碎,目的是 。操作的名称是 。 (2)将操作后所得的 MnO2与 KClO3、KOH 溶液混合共热,可得到 K2MnO4,此反应的化学方程式是
2、。 (3)将 pH 控制在 3.6 的目的是 。已知 25 时,K spCu(OH)2=210-20,该温度下反应 Cu2+2H2O Cu(OH)2+2H+的平衡常数 K= 。 (4)加入双氧水时发生反应的离子方程式为 。 (5)利用氨气在 500 以上分解得到的氮原子渗透到铁粉中可制备氮化铁(Fe xNy),若消耗氨气 17.0 g,消耗赤铁矿 1 kg,写出该反应完整的化学方程式: 。 答案 (1)增大赤铁矿与稀硫酸的接触面积,加快浸出反应速率,提高浸出率 过滤(2)3MnO2+6KOH+KClO3 3K2MnO4+KCl+3H2O(3)使 Fe3+全部形成沉淀而其他金属离子不形成沉淀 5
3、.010-9(4)H2O2+2Fe2+2H+ 2Fe3+2H2O(5)16Fe+2NH3 2Fe8N+3H22解析 (1)使用前将赤铁矿粉碎,可以增大酸浸时赤铁矿与稀硫酸的接触面积,加快浸出反应速率,提高浸出率。经过操作得到固体和溶液,故操作的名称为过滤。(2)共热时 MnO2转化为 K2MnO4,Mn 元素化合价升高,则 Cl 元素化合价降低,KClO 3转化为 KCl,根据得失电子守恒、原子守恒配平化学方程式:3MnO2+6KOH+KClO3 3K2MnO4+KCl+3H2O。(3)加入双氧水,Fe 2+被氧化为 Fe3+,溶液 a 中的阳离子为Fe3+、Al 3+、Cu 2+等,根据表中
4、提供的 Fe3+、Al 3+、Cu 2+完全沉淀时的 pH 可知,将 pH 控制在 3.6 的目的是使 Fe3+全部形成沉淀而其他金属离子不形成沉淀。25 时,该反应的平衡常数K= = = = =5.010-9。(4)加入双氧水时,Fe 2+被氧化为 Fe3+,发生反c2(H+)c(Cu2+)c2(H+)c2(OH-)c(Cu2+)c2(OH-) K2WKspCu(OH)2 (10-14)2210-20应的离子方程式为 H2O2+2Fe2+2H+ 2Fe3+2H2O。(5)17.0 g 氨气为 1 mol,1 kg 赤铁矿中含有的 Fe 原子的物质的量为 2+ =8 mol,则 NH3、Fe
5、按照物质的量之比 18 参加反应,根据原1000g60.0%160gmol-1 1000g3.6%72gmol-1子守恒配平化学方程式:16Fe+2NH 3 2Fe8N+3H2。2.硼镁泥是硼镁矿生产硼砂晶体(Na 2B4O710H2O)时的废渣,其主要成分是 MgO,还含有Na2B4O7、CaO、Fe 2O3、FeO、MnO、SiO 2等杂质。以硼镁泥为原料制取 MgSO47H2O 的工艺流程如下:回答下列问题:(1)Na2B4O710H2O 中 B 的化合价为 ;Na 2B4O7可制备强还原剂 NaBH4,写出 NaBH4的电子式: 。 (2)滤渣 A 中除含有 H3BO3外,还含有 ;加
6、入硫酸时 Na2B4O7发生反应的化学方程式为 。 (3)滤渣 B 中含有不溶于稀盐酸,但加热时能溶于浓盐酸的黑色固体,写出生成黑色固体的离子方程式: ;加入 MgO 的目的是 。 (4)碱性条件下,阴极上电解 NaBO2溶液也可制得硼氢化钠,其电极反应式为 ; “有效氢含量”(即:每克含氢还原剂的还原能力相当于多少克 H2的还原能力)可用来衡量含氢还原剂的还原能力,则 NaBH4的有效氢含量为 (保留 2 位有效数字)。 答案 (1)+3 Na +H H-HBH(2)SiO2 Na 2B4O7+H2SO4+5H2O Na2SO4+4H3BO3(3)ClO-+Mn2+H2O MnO2+Cl -
7、+2H+ 调节溶液的 pH,使 Fe3+转化为氢氧化铁沉淀除去3(4)B +6H2O+8e- B +8OH- 0.21O-2 H-4解析 由题中信息可知,硼镁泥经硫酸浸取后过滤除去滤渣 A,滤渣 A 主要含 H3BO3和 SiO2,滤液中主要含硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸锰、硫酸钙等;滤液中加入次氯酸钠把亚铁离子氧化为铁离子、把锰离子氧化为二氧化锰,过滤除去滤渣 B,滤渣 B 主要为二氧化锰;滤液经蒸发浓缩、趁热过滤,除去滤渣 C,经冷却结晶、过滤,即得到 MgSO47H2O。(1)Na2B4O710H2O 中 Na、H、O 的化合价分别为+1、+1、-2,故 B 的化合价为+3;NaBH
8、4为离子化合物,其由钠离子和硼氢根离子组成,其电子式为 Na+H H-。(2)滤渣 A 中除含有 H3BO3外,还含有HBHSiO2;加入硫酸时 Na2B4O7发生反应的化学方程式为 Na2B4O7+H2SO4+5H2O Na2SO4+4H3BO3。(3)滤渣 B中含有不溶于稀盐酸,但加热时能溶于浓盐酸的黑色固体,则此黑色固体是 MnO2,生成黑色固体的离子方程式为 ClO-+Mn2+H2O MnO2+Cl -+2H+;加入 MgO 的目的是调节溶液的 pH,使 Fe3+水解转化为氢氧化铁沉淀除去。(4)碱性条件下,阴极上电解 NaBO2溶液也可制得硼氢化钠,其电极反应式为 B +6H2O+8
9、e-O-2B +8OH-;NaBH4作为还原剂时,其中 H 由-1 价降低至+1 价,故 1 mol NaBH4可以失去 8 mol 电子,H-4相当于 4 mol H2的还原能力,故 NaBH4的有效氢含量为 =0.21。4mol2g/mol38g3.海水是宝贵的资源,氯碱工业、海水提镁、海水提溴等为人类提供了大量工业原料。下图是海水综合利用的部分流程图,据图回答问题:(1)由海水晒制的粗盐中含有 Ca2+、Mg 2+、S 等离子,为除去这些离子,所加试剂及其先后顺序为 O2-4(写化学式)。 (2)电解饱和食盐水的化学方程式为 。 4制取 MgCl2的过程中涉及反应:MgCl 26H2O
10、MgCl2+6H2O,该反应要在 HCl 气氛中进行,原因是 。 (3)苦卤中通入 Cl2置换出 Br2,吹出后用 SO2吸收,写出用 SO2吸收时发生反应的离子方程式: ,由此判断 Cl2、Br 2、SO 2的氧化性由强到弱的顺序为 。 (4)也有工艺是在吹出 Br2后用碳酸钠溶液吸收,生成溴化钠和溴酸钠,同时有 CO2放出,该反应的离子方程式是 ;最后再用 H2SO4处理得到 Br2,之后加入 CCl4萃取 Br2,最终用 的方法得到单质 Br2。 答案 (1)BaCl 2、CaO、Na 2CO3、HCl(合理即可)(2)2NaCl+2H 2O Cl2+H 2+2NaOH抑制 MgCl2水
11、解(3)Br2+SO2+2H2O 2Br-+4H+S Cl 2Br2SO2O2-4(4)3Br2+3C 5Br-+Br +3CO2 蒸馏O2-3 O-3解析 (1)CaO 与水反应生成的 Ca(OH)2可以除去 Mg2+,Na2CO3溶液可以除去 Ca2+,BaCl2溶液可以除去 S。除杂过程中试剂均过量,会引入新的杂质离子 OH-、C 、Ba 2+,通过加适量盐酸可以将 C 和O2-4 O2-3 O2-3OH-转化为 CO2和 H2O,但过量的 Ba2+必须由 Na2CO3溶液来除去,因此盐酸必须最后加入,Na 2CO3溶液必须在加入 BaCl2溶液之后加入,而 CaO 和 BaCl2溶液加
12、入的顺序可以调换。(2)电解饱和食盐水的化学方程式为 2NaCl+2H2O Cl2+H 2+2NaOH。加热 MgCl26H2O 时 MgCl2易发生水解反应,最终得不到MgCl2,在 HCl 气氛中进行,可以抑制 MgCl2水解。(3)SO 2吸收 Br2,发生氧化还原反应,离子方程式为Br2+SO2+2H2O 2Br-+4H+S 。苦卤中通入 Cl2置换出 Br2,说明氧化性:Cl 2Br2,SO2与 Br2反应生成 SO2-4和 Br-,说明氧化性:Br 2SO2。O2-4(4)根据提供信息可知,Br 2与 C 反应,生成 Br-、Br 、CO 2,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守O2
13、-3 O-3恒配平离子方程式。从 Br2的 CCl4溶液中分离出 Br2,用蒸馏的方法。4.(2018 陕西汉中一检)草酸镍晶体(NiC 2O42H2O)难溶于水,工业上用废镍催化剂(主要成分为 Ni,含有一定量的 Al2O3、Fe、SiO 2、CaO 等)制备草酸镍晶体的流程如图所示:已知:相关金属离子生成氢氧化物沉淀的 pH 见下表:5金属离子 Fe3+ Fe2+ Al3+ Ni2+开始沉淀的 pH 1.9 7.6 3.0 6.8完全沉淀的 pH 3.2 9.7 5.0 9.5K sp(NiC2O4)=4.0510-10(1)“酸浸”前将废镍催化剂粉碎的目的是 。“滤渣”的主要成分为 。
14、(2)若试剂 a 为 H2O2溶液,写出氧化时反应的离子方程式: 。 (3)调节 pH 的范围为 。 (4)写出“沉钙”操作中加入 NH4F 时发生反应的离子方程式: ,NH 4F 的电子式为 。 (5)如果“沉镍”操作后测得滤液中 C2 的浓度为 0.18 molL-1,则溶液中 c(Ni2+)= O2-4molL-1。 (6)将得到的草酸镍晶体在真空中加热至 320 分解,可重新制得单质镍催化剂。该制备过程的化学方程式为 。 答案 (1)增大接触面积,提高酸浸速率(其他合理答案亦可) SiO 2(2)2Fe2+2H+H2O2 2Fe3+2H2O(3)5.0pH6.8(写出 5.06.8 亦
15、可)(4)Ca2+2F- CaF2 H H+ -HNH F(5)2.2510-9(6)NiC2O42H2O Ni+2CO2+2H 2O解析 (1)SiO 2不与稀硫酸反应。(2)酸浸后的溶液中金属阳离子为 Al3+、Fe 2+、Ca 2+、Ni 2+,Fe2+可被H2O2氧化为 Fe3+。(3)调节溶液 pH 保证 Al3+、Fe 3+完全沉淀,Ni 2+不沉淀。(4)CaF 2难溶于水。(5)Ksp(NiC2O4)=c(Ni2+)c(C2 ),c(Ni2+)= molL-1=2.2510-9 molL-1。(6)NiC 2O42H2OO2-44.0510-100.18在真空中加热分解,镍元素
16、化合价降低,则碳元素化合价升高,故产物为 Ni、CO 2、H 2O。5.利用水钴矿(主要成分为 Co2O3,含少量 Fe2O3、Al 2O3、MnO、MgO、CaO、SiO 2等)可以制取多种化工产品,以下为草酸钴晶体和氯化钴晶体的制备流程,回答下列问题:6已知:浸出液中含有的阳离子主要有 H+、Co 2+、Fe 2+、Mn 2+、Al 3+、Mg 2+、Ca 2+等。沉淀中只含有两种沉淀。流程中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)3Fe(OH)2Co(OH)2Al(OH)3 Mn(OH)2开始沉淀的pH2.7 7.6 7.6 3.4 7.7完全沉淀的pH3
17、.7 9.6 9.2 5.2 9.8(1)浸出过程中 Co2O3发生反应的离子方程式为 。 (2)NaClO3加入浸出液中发生反应的离子方程式为 。 (3)加入 Na2CO3调 pH 至 5.2,目的是 ;萃取剂层含锰元素,则沉淀的主要成分为 。 (4)操作包括:向水层加入浓盐酸调节 pH 为 23, 、 、过滤、洗涤、减压烘干等过程。 (5)为测定粗产品中 CoCl26H2O 的含量,称取一定质量的粗产品溶于水,加入足量硝酸酸化的硝酸银溶液,过滤、洗涤、干燥,测沉淀质量。通过计算发现粗产品中 CoCl26H2O 的质量分数大于 100%,其原因可能是 (回答一条原因即可)。 (6)将 5.4
18、9 g 草酸钴晶体(CoC 2O42H2O)置于空气中加热,受热过程中不同温度范围内分别得到一种固体物质,其质量如下表。温度范围/ 固体质量/g150210 4.41290320 2.41经测定,整个受热过程中只产生水蒸气和 CO2气体,则温度范围为 290320 时,剩余的固体物质化学式为 。已知:CoC 2O42H2O 的摩尔质量为 183 gmol-1 答案 (1)Co 2O3+S +4H+ 2Co2+S +2H2OO2-3 O2-47(2)Cl +6Fe2+6H+ Cl-+6Fe3+3H2OO-3(3)使 Fe3+和 Al3+沉淀完全 CaF 2和 MgF2(4)蒸发浓缩 冷却结晶(5
19、)粗产品中结晶水含量低(或粗产品中混有氯化钠杂质)(6)Co3O4(或 CoOCo2O3)解析 (1)浸出过程中,Co 2O3与盐酸、Na 2SO3发生反应,Co 2O3转化为 Co2+,Co 元素化合价降低,则 S 元素化合价升高,S 转化为 S ,根据得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒配平离子方程式:Co 2O3+4H+SO2-3 O2-42Co2+S +2H2O。(2)NaClO 3加入浸出液中,将 Fe2+氧化为 Fe3+,Cl 被还原为 Cl-,反应的离O2-3 O2-4 O-3子方程式为 Cl +6Fe2+6H+ 6Fe3+Cl-+3H2O。(3)根据工艺流程图,结合表格中提供的数据
20、可知,加O-3Na2CO3调 pH 至 5.2,目的是使 Fe3+和 Al3+沉淀完全。滤液中含有的金属阳离子为Co2+、Mn 2+、Mg 2+、Ca 2+等,萃取剂层含锰元素,结合流程图中向滤液中加入了 NaF 溶液,可知沉淀的主要成分为 MgF2、CaF 2。(4)经过操作由溶液得到结晶水合物,故除题中已知过程外,操作还包括蒸发浓缩、冷却结晶。(5)根据 CoCl26H2O 的组成及测定过程分析,造成粗产品中 CoCl26H2O 的质量分数大于 100%的原因可能是:含有氯化钠杂质或结晶水合物失去部分结晶水,导致相同质量的固体中氯离子含量偏大。(6)整个受热过程中只产生水蒸气和 CO2气体
21、,5.49 g CoC 2O42H2O 为 0.03 mol,固体质量为 4.41 g 时,质量减少 1.08 g,恰好为 0.06 mol H2O 的质量,因此 4.41 g 固体为 0.03 mol CoC2O4。依据原子守恒知,生成的 n(CO2)=0.06 mol,m(CO2)=0.06 mol44 gmol-1=2.64 g。而固体质量由 4.41 g 变为 2.41 g 时,质量减少 2 g,说明 290320 内发生的不是分解反应,参加反应的物质还有氧气。则参加反应的 m(O2)=2.64 g-2 g=0.64 g,n(O2)=0.02 mol;n(CoC2O4)n(O 2)n(
22、CO 2)=0.03 mol0.02 mol0.06 mol=326,依据原子守恒,配平化学方程式:3CoC 2O4+2O2 Co3O4+6CO2,故温度范围为 290320 时,剩余固体物质的化学式为 Co3O4或 CoOCo2O3。6.某研究性学习小组设计如图所示流程,综合处理某工厂印刷电路的废液(含 Fe3+、Cu 2+、Fe 2+、Cl -)和废气(H 2S),真正做到了变废为宝:处理废液、废气得到氯化铜、单质硫的同时,还实现了蚀刻液的循环利用。根据以上信息回答下列问题:8(1)操作、相同,名称是 ,所需要的玻璃仪器主要有烧杯、玻璃棒、 。 (2)通常用来检验蚀刻液中金属阳离子的化学试
23、剂是 。 (3)向废液中加入过量 X 时发生的主要反应的离子方程式为 。 (4)滤渣与 Y 反应的化学方程式为 。 (5)H2S 通入蚀刻液中发生的主要反应为 。 (6)电解池中 H+在阴极放电产生 H2,阳极的电极反应式为 。 (7)综合分析虚线框内所涉及的两个反应,可知该过程有两个显著优点:蚀刻液得到循环利用; 。 答案 (1)过滤 漏斗(2)KSCN 溶液(或其他合理答案)(3)2Fe3+Fe 3Fe2+、Fe+Cu 2+ Cu+Fe2+(4)Fe+2HCl FeCl2+H2(5)2Fe3+H2S 2Fe2+S+2H +(6)Fe2+-e- Fe3+(7)H2S 的原子利用率为 100%
24、(或其他合理答案)解析 (1)操作、都得到滤液和滤渣,所以操作名称是过滤,过滤操作用到的玻璃仪器是烧杯、玻璃棒、漏斗。(2)蚀刻液中主要的金属阳离子是 Fe3+,用 KSCN 溶液或 NH4SCN 溶液来检验,蚀刻液变成血红色,即可证明蚀刻液中有 Fe3+。(3)根据流程图,操作是加入过量的铁,跟溶液中的 Fe3+、Cu 2+反应,离子方程式是 2Fe3+Fe 3Fe2+、Fe+Cu 2+ Fe2+Cu,过滤后滤液是 FeCl2溶液,滤渣是 Fe 和 Cu。(4)滤渣中加入过量盐酸,Cu 不反应,Fe 与盐酸反应生成氯化亚铁和氢气,反应的化学方程式是 Fe+2HClFeCl2+H2。(5)向蚀刻液中通入硫化氢气体,发生氧化还原反应 ,化学方程式是2Fe3+H2S 2Fe2+S+2H +。(6)对通入适量 H2S 后的蚀刻液进行过滤 ,不溶物是硫,滤液是 FeCl2溶液,石墨电极电解 FeCl2酸性溶液,氢离子在阴极放电,生成氢气,Fe 2+在阳极失去电子生成 Fe3+,电极反应式是Fe2+-e- Fe3+。9
