高考化学二轮复习教案专题突破(三) 以金属及其化合物为主体的化工流程（含解析）

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专题突破(三)　 以金属及其化合物为主体的化工流程

化学工艺流程题是高考热点题型之一，大多以金属及其化合物的性质与转化为主体，此类试题源于化工生产实际，以解决化学实际问题为线索进行设问，使问题情境更加真实。此类试题的情境新颖，信息容量大，涉及化学基础知识、实验基本操作和技能等，要求考生在复杂情境中对必备知识和关键能力进行综合运用，体现“高考命题应坚持理论联系实际的原则，使用贴近时代、贴近社会、贴近生活素材，选取日常生活、工业生产、国家发展、社会进步中的实际问题，考查学生运用知识、能力和素养解决实际问题的能力，让学生充分感受到课堂所学内容中蕴含的应用价值”的指导思想。
1．分析化学工艺流程题的过程解读

(1)读流程图
①箭头：箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。
②三线：出线和进线均表示物料流向或操作流程，可逆线表示物质循环。
(2)解题要点
①审题要点：了解生产目的、原料及产品；了解题目提供的信息；分析各步的反应条件、原理及物质成分；理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。
②答题切入点：原料及产品的分离提纯；生产目的及反应原理；生产要求及反应条件；有关产率、产量及组成的计算；绿色化学理念。
2．化学工艺流程题常见答题方向
工艺操作
(结果)
目的评价(或操作名称)
方法
措施
研磨
(粉碎)
增大接触面积，加快反应(溶解)速率
煅烧
(焙烧)
矿物分解、燃烧，转化为易溶于酸、碱的物质
水浸
利用水溶性把物质进行分离
酸浸
(碱浸)
利用物质与酸(碱)反应除掉杂质或把目标物质转化为可溶性离子
控制
条件
调节溶
液pH
某些金属离子的沉淀，控制物质的溶解
控制温度
加快反应速率，促进平衡移动；物质的溶解、析出、挥发等
增大某反
应物用量
增大另一反应物的转化率(产率)
某种试剂
的选择
是否带入杂质、是否影响产品的纯度
分离
提纯
不相溶
液体
分液
相溶性
液体
蒸馏
难溶性
固体
过滤
易溶性
固体
蒸发结晶、浓缩冷却结晶
趁热过滤
防止温度降低，某物质析出
冰水洗涤
减少晶体的溶解损失
乙醇、有机
溶剂洗涤
减少晶体的水溶性损失

(2020·山东卷)以菱镁矿(主要成分为MgCO3，含少量SiO2、Fe2O3和Al2O3)为原料制备高纯镁砂的工艺流程如下：

已知浸出时产生的废渣中有SiO2、Fe(OH)3和Al(OH)3。下列说法错误的是(　　)
A．浸出镁的反应为MgO＋2NH4Cl===MgCl2＋2NH3↑＋H2O
B．浸出和沉镁的操作均应在较高温度下进行
C．流程中可循环使用的物质有NH3、NH4Cl
D．分离Mg2＋与Al3＋、Fe3＋是利用了它们氢氧化物Ksp的不同


B　[氯化铵溶液显酸性，与MgO反应，相当于MgO促进了氯化铵的水解，生成氨气，A项正确；氨水易分解，故沉镁时温度不可太高，B项错误；由流程图可知氨气可循环使用，沉镁过程中产生氯化铵，故氯化铵也可循环使用，C项正确；浸出过程中产生Fe(OH)3和Al(OH)3，沉镁过程中加氨水调节pH产生Mg(OH)2，利用三种离子氢氧化物Ksp的不同，使其先后沉淀而分离，D项正确。]
(2020·全国卷Ⅰ)钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以＋3、＋4、＋5价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

该工艺条件下，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
Fe3＋
Fe2＋
Al3＋
Mn2＋
开始沉淀pH
1.9
7.0
3.0
8.1
完全沉淀pH
3.2
9.0
4.7
10.1
回答下列问题：
(1)“酸浸氧化”需要加热，其原因是________________________________________。
(2)“酸浸氧化”中，VO＋和VO2＋被氧化成VO，同时还有________离子被氧化。写出VO＋转化为VO反应的离子方程式：______________________。
(3)“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子K＋、Mg2＋、Na＋、________，以及部分的____________。
(4)“沉淀转溶”中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解，滤渣③的主要成分是____________。
(5)“调pH”中有沉淀生成，生成沉淀反应的化学方程式是____________________。
(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是_______________。


解析　(1)由于在常温下，酸浸、氧化反应较慢，所以可加热以加快酸浸和氧化反应速率。(2)因Fe3O4中有Fe2＋，Fe2＋具有较强的还原性，易被MnO2氧化；VO＋转化为VO反应的离子方程式为MnO2＋2H＋＋VO＋===VO＋Mn2＋＋H2O。(3)Mn2＋开始沉淀的pH＝8.1，当pH＝3.2时，Fe3＋完全沉淀，Al3＋开始沉淀的pH＝3.0，完全沉淀的pH＝4.7，故pH＝3.0～3.1时，Mn2＋未沉淀，Fe3＋大部分已经沉淀，Al3＋刚开始沉淀，故可除去Mn2＋，Fe3＋和Al3＋能除去一部分。(4)滤饼②中除含有V2O5·xH2O外，还含有Fe(OH)3和Al(OH)3，沉淀转溶时Fe(OH)3沉淀不会溶解，铝元素以[Al(OH)4]－的形式存在，故滤渣③的主要成分为Fe(OH)3。(5)因在强碱环境中沉淀转溶时，铝元素以[Al(OH)4]－的形式存在，用HCl调节pH＝8.5时，发生反应NaAl(OH)4＋HCl===Al(OH)3↓＋NaCl＋H2O。(6)增大c(NH)，使反应NH(aq)＋VO(aq)⇌NH4VO3(s)的平衡右移，可提高VO的利用率(或利用同离子效应，使NH4VO3尽可能析出完全)。
答案　(1)加快酸浸和氧化反应速率(促进氧化完全)
(2)Fe2＋　VO＋＋MnO2＋2H＋===VO＋Mn2＋＋H2O
(3)Mn2＋　Al3＋和Fe3＋
(4)Fe(OH)3
(5)NaAl(OH)4＋HCl===Al(OH)3↓＋NaCl＋H2O
(6)利用同离子效应，促进NH4VO3尽可能析出完全

1．(2021·北京首都师大附中检测)工业上应用两矿法浸出软锰矿(主要成分MnO2)和方铅矿(主要成分PbS、FeS2)，制备PbSO4和Mn3O4，转化流程如下。

已知：PbCl2微溶于水，溶液中存在可逆反应：PbCl2＋2Cl－⇌PbCl。
下列说法正确的是(　　)
A．Ⅰ中可使用浓盐酸代替稀盐酸和NaCl的混合溶液
B．Ⅱ中生成的沉淀Y是Fe(OH)2
C．Ⅳ中试剂X可能作氧化剂
D．Ⅴ中发生反应：Pb2＋＋SO=== PbSO4
C　[Ⅰ中可使用浓盐酸代替稀盐酸和NaCl的混合溶液，在70 ℃时可与软锰矿中MnO2反应生成Cl2，A错误；MnO2、FeS2和盐酸发生反应：3MnO2＋2FeS2＋12HCl===3MnCl2＋2FeCl3＋4S＋6H2O，步骤Ⅱ调节pH使Fe3＋转化为沉淀，故沉淀Y是Fe(OH)3，B错误；Ⅳ中溶液加入试剂X和氨水，Mn2＋被氧化生成Mn3O4，则试剂X可能作氧化剂，C正确；PbCl2微溶于水，溶液中存在可逆反应：PbCl2＋2Cl－===PbCl，Ⅴ中加入稀硫酸，发生反应：PbCl＋SO===PbSO4＋4Cl－，D错误。]
2．(2020·山东师大附中三模)以铜银合金(含少量铁)废料为原料回收银和铜的工艺流程如下，下列说法正确的是(　　)

A.粗铜溶于过量稀硝酸，过滤、低温干燥得纯铜
B．电解时用粗银作阴极，硝酸银溶液为电解质溶液
C．用稀硫酸处理渣料时主要发生了氧化还原反应
D．从滤液B中可以提取绿矾(FeSO4·7H2O)
D　[Cu可溶于过量稀硝酸，故粗铜溶于过量稀硝酸，过滤、低温干燥不能得到纯铜，A项错误；电解粗银时，用粗银作阳极，纯银作阴极，硝酸银溶液为电解质溶液，B项错误；铜银合金(含少量铁)在高温下与空气中O2反应生成CuO、Fe3O4，用稀硫酸处理渣料时，生成CuSO4、FeSO4和Fe2(SO4)3，发生非氧化还原反应，C项错误；滤液A中含有CuSO4、FeSO4和Fe2(SO4)3，加入适量铁粉过滤，滤液B中含有FeSO4，故从滤液B中可以提取绿矾(FeSO4·7H2O)，D项正确。]
3．(2021·江西南昌二中检测)明矾[KAl(SO4)2·12H2O]是一种重要的化工产品，在生产、生活中都有广泛的用途。某工厂计划利用炼铝厂的废料铝灰(含Al、Al2O3、少量SiO2和FeO·xFe2O3)为原料生产明矾产品，设计的生产工艺流程如下：

已知：Ksp[Fe(OH)3]＝1.0×10－36
请回答下列问题：
(1)检验滤液A中是否存在Fe2＋，可用K3[Fe(CN)6]溶液，请写出其检验的离子反应方程式________________________________________________________________________。
(2)沉淀器中加入KMnO4溶液的作用是_________________________________________；
有人认为该生产流程较为复杂，可以用溶液______________________________(填化学式)
代替KMnO4溶液而使操作Ⅰ和操作Ⅱ过程得到优化。
(3)操作Ⅲ是________、________(填操作名称)、过滤、洗涤；在洗涤晶体时采用的洗涤剂最合适的是________(填正确答案标号)。
A．稀硫酸　　　　　B．蒸馏水　　　　　　C．70%酒精
(4)明矾可作净水剂，其净水原理是_______________________________________(用离子方程式表示)。
(5)在沉淀器中调pH＝3，请计算说明Fe3＋是否完全沉淀_________________________。(当Fe3＋离子浓度小于或等于1.0×10－5 mol/L时，可以认为溶液中无该离子)。
解析　(2)铝灰含Al、Al2O3、少量SiO2和FeO·xFe2O3，加入稀硫酸浸出，滤液A中含有Al3＋、Fe2＋、Fe3＋；沉淀器中加入KMnO4溶液，将Fe2＋氧化为Fe3＋，并调节pH＝3，转化为Fe(OH)3沉淀。原流程中为了除去Fe2＋，加入KMnO4引入了MnO，后又加入MnSO4，过于复杂，用H2O2不引入新杂质。
答案　(1)2[Fe(CN)6]3－＋3Fe2＋===Fe3[Fe(CN)6]2↓
(2)将Fe2＋氧化成Fe3＋　H2O2
(3)蒸发浓缩　冷却结晶　C
(4)Al3＋＋3H2O⇌Al(OH)3(胶体)＋3H＋
(5)由Ksp[Fe(OH)3]＝c3(OH－)·c(Fe3＋)＝1.0×10－36可计算c(Fe3＋)＝1.0×10－3 mol·L－1＞1.0×10－5 mol·L－1，所以Fe3＋没有沉淀完全
4．(2020·吉林长春二模)某实验室以含镍废料(主要成分为NiO，还含有少量FeO、Fe2O3、CoO、BaO 和SiO2)为原料制备NixOy和碳酸钴(CoCO3)的工艺流程如下：

已知有关氢氧化物开始沉淀和沉淀完全的pH 如下表：
氢氧化物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Co(OH)2
Ni(OH)2
开始沉淀的pH
1.5
6.5
7.2
7.7
沉淀完全的pH
3.7
9.7
9.4
9.2
请回答以下问题：
(1)“滤渣Ⅰ”主要成分为(填化学式)__________ __________。
(2)“氧化”时(加入NaClO3)的离子方程式为_______________________________。
(3)加入Na2CO3 来“调pH”的目的是生成黄钠铁钒沉淀而除去铁，也可通过加入MO(对应的金属氧化物)来调节 pH 将铁除去，则 pH 控制的范围为_____________。
(4)在实验室萃取操作应该在____________________中完成
(填仪器名称)，向水相中加入NaHCO3时的离子方程式为
________________________________________________________________________。
(5)从NiSO4溶液获得NiSO4·6H2O晶体的操作依次是________，________，过滤，洗涤，干燥。“煅烧”时剩余固体质量与温度变化曲线如图，该曲线中B段所表示氧化物的名称为________。

解析　(1)原料的成分有NiO，FeO，Fe2O3，CoO，BaO和SiO2；加入硫酸酸溶，SiO2不反应，所以会出现在滤渣中，BaO会最终变成BaSO4沉淀，所以也会出现在滤渣中；
(2)氧化步骤的目的是将二价铁转变成三价铁，便于在后续步骤中沉淀法除去，所以离子方程式为6H＋＋ClO＋6Fe2＋===6Fe3＋＋Cl－＋3H2O；
(3)加入Na2CO3这一步是为了除去铁，同时也要避免其他元素的损耗，所以选择的pH区间为3.7～7.2；
(4)萃取最关键的仪器是分液漏斗；加入碳酸氢钠后，产物之一是CoCO3沉淀，考虑到NaHCO3是过量的，所以最终的离子方程式为2HCO＋Co2＋===CoCO3↓＋H2O＋CO2↑；
(5)由溶液获取结晶的常规操作是：蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤干燥；硫酸镍晶体的摩尔质量是263 g/mol，所以26.3 g即为0.1 mol；280 ℃开始，固体的质量减少，这个时期是因为结晶水丢失导致的，所以A段对应的物质就是0.1 mol的NiSO4；温度到600 ℃，固体的质量再次下降，得到最终的镍的氧化物；根据原子守恒，8.3 g氧化物中Ni的质量为5.9 g，那么O的质量为2.4 g即0.15 mol，所以固体氧化物中n(Ni)∶n(O)＝2∶3，所以固体氧化物即三氧化二镍。
答案　(1)BaSO4和SiO2
(2)6H＋＋ClO＋6Fe2＋===6Fe3＋＋Cl－＋3H2O
(3)3.7