新高考化学一轮复习精品学案 第4章 热点强化8　金属及其化合物制备流程分析（含解析）

热点强化8　金属及其化合物制备流程分析

类型一　常见金属及其化合物的制备

常见金属及其化合物的制备涉及的内容有：

(1)金属冶炼类，如冶炼镁、铝、铁、铜等金属，主要考查产品冶炼条件控制以及混合物的分离和提纯等。

(2)中学重要化工产品的制备类，如胆矾、绿矾、明矾、氧化铁、硝酸铜等物质的制备。

往往考查物质的性质、分离提纯、反应原理、实验操作等知识点。由于此类试题陌生度高，对学生的能力要求也大，并且有的试题文字信息量大，所以这类题目容易出错。

1．(2022·湖南，7)铝电解厂烟气净化的一种简单流程如下：

下列说法错误的是(　　)

A．不宜用陶瓷作吸收塔内衬材料

B．采用溶液喷淋法可提高吸收塔内烟气吸收效率

C．合成槽中产物主要有Na3AlF6和CO2

D．滤液可回收进入吸收塔循环利用

答案　C

解析　烟气(含HF)通入吸收塔，加入过量的碳酸钠，发生反应：Na2CO3＋HF===NaF＋NaHCO3，向合成槽中通入NaAlO2，发生反应：6NaF＋NaAlO2＋4NaHCO3===Na3AlF6↓＋4Na2CO3＋2H2O，过滤得到Na3AlF6和含有Na2CO3的滤液。陶瓷的成分中含有SiO2，SiO2能与HF发生反应，因此不宜用陶瓷作吸收塔内衬材料，故A正确；采用溶液喷淋法可增大反应物的接触面积，提高吸收塔内烟气吸收效率，故B正确；由上述分析知，合成槽内产物主要有Na3AlF6、Na2CO3、H2O，故C错误；滤液的主要成分为Na2CO3，可进入吸收塔循环利用，故D正确。

2．(2022·河北唐山二模)水合肼(N2H4·H2O)的性质类似氨水。利用水合肼处理铜氨{[Cu(NH3)4]2＋}

废液回收铜粉的实验流程如图：

下列说法错误的是(　　)

A．上述三步反应过程均为氧化还原反应

B．反应1的目的是制备NaClO

C．合成水合肼的反应中每消耗1 mol CO(NH2)2转移电子数为NA

D．反应3完成后要用到过滤操作

答案　C

解析　反应1是氯气和氢氧化钠反应生成氯化钠、次氯酸钠和水，氯元素化合价发生变化；反应2是次氯酸钠将尿素氧化为水合肼，氯元素、氮元素化合价发生变化；反应3是[Cu(NH3)4]2＋被水合肼还原为Cu，铜元素、氮元素化合价发生变化，则上述三步反应过程均为氧化还原反应，故A正确；经分析知反应1的目的是制备NaClO，用NaClO将尿素氧化为水合肼，故B正确；次氯酸钠将尿素氧化为水合肼，氮元素化合价由－3价升高至－2价，每消耗1 mol CO(NH2)2转移电子数为2NA，故C错误；反应3完成后要把铜粉分离出来，用到过滤操作，故D正确。

3．以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金属硫酸盐)为原料，生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如下：

(1)焙烧过程均会产生SO2，用NaOH溶液吸收过量SO2的离子方程式为__________。

(2)添加1%CaO和不添加CaO的矿粉焙烧，其硫去除率随温度变化曲线如图所示。

已知：多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃

硫去除率＝(1－)×100%

①不添加CaO的矿粉在低于500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于________。

②700 ℃焙烧时，添加1%CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低，其主要原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2，铝元素存在的形式由________(填化学式，下同)转化为________。

(4)“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2，理论上完全反应消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)＝________。

答案　(1)SO2＋OH－===HSO　(2)①FeS2

②硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中

(3)NaAlO2　Al(OH)3　(4)1∶16

解析　(2)①根据题给已知信息，多数金属硫酸盐的分解温度高于600 ℃，不添加CaO的矿粉低于500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于FeS2。(3)“碱浸”时Al2O3、SiO2转化为溶于水的NaAlO2、Na2SiO3，向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2，CO2与NaAlO2反应生成NaHCO3和Al(OH)3。(4)Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2，反应的化学方程式为FeS2＋16Fe2O311Fe3O4＋2SO2↑。

4．[2019·全国卷Ⅰ，26(1)(2)(4)]硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：

回答下列问题：

(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉，产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

(2)“滤渣1”的主要成分有________________________________________________。

为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3＋离子，可选用的化学试剂是________。

(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为___________________，

母液经加热后可返回________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是________。

答案　(1)NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3

(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN溶液

(4)2Mg2＋＋3CO＋2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2HCO[或2Mg2＋＋2CO＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑]　溶浸　高温焙烧

解析　(1)由流程图加入物质可知，“溶浸”时产生的气体只能是NH3，NH3与NH4HCO3反应生成用于“沉镁”的物质只能是(NH4)2CO3。(2)由流程图可知，在过滤获取H3BO3之前没有除Fe3＋、Al3＋的步骤，推知氧化铁、氧化铝在“溶浸”时没有溶解，而二氧化硅不溶于硫酸铵溶液，因而滤渣1的主要成分是二氧化硅、氧化铁、氧化铝。检验Fe3＋的试剂可选用KSCN溶液。(4)“沉镁”中，结合反应物有Mg2＋、CO，生成物为Mg(OH)2·MgCO3，依据离子方程式书写要求，即可写出方程式。母液含硫酸铵，可以将母液返回“溶浸”工序循环使用，体现绿色化学理念和环境保护思想。碱式碳酸镁转化成轻质氧化镁，联系碳酸镁、氢氧化镁受热都能分解生成氧化镁。

类型二　过渡金属及其化合物的制备

过渡金属元素常具有多种可变化合价，形成化合物种类较多，近年高考题常以Ni、Cr、Mn、V等元素化合物的制备流程为载体，考查不同价态物质转化规律、条件控制、物质的分离提纯等关键能力。

1．(2022·湖南长郡中学高三模拟)含铬废水会严重污染环境，一种烟气协同处理含铬废水(含CrO、Cr2O、泥沙等)的流程如图：

下列说法不正确的是(　　)

A．“沉降”的主要目的是除去泥沙等不溶物

B．溶液A通常选用硫酸“调pH”，目的是将CrO转化为Cr2O

C．“还原”过程涉及的氧化还原反应，氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶3

D．母液经处理可获得2SO4

答案　C

解析　“沉降”可以除去不溶性物质，主要目的是除去泥沙等不溶物，A正确；Cr2O＋H2O2CrO＋2H＋，加入稀硫酸，氢离子浓度变大，平衡逆向移动，CrO转化为Cr2O，B正确；“还原”过程涉及的氧化还原反应，二氧化硫生成硫酸根离子，正六价铬转化为正三价铬，根据得失电子守恒可知，3SO2～Cr2O，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶3，C错误；加入氨水得到Cr(OH)3沉淀和硫酸铵，过滤，母液经处理可获得2SO4，D正确。

2．(2022·山东滨州高三模拟)工业上以碳酸锰矿(主要成分为MnCO3，另含FeO、Fe2O3、CaO等杂质)为主要原料生产锰酸锂(LiMn2O4)，工艺流程如下：

下列说法错误的是(　　)

A．可采用搅拌的方法提高“酸浸”时碳酸锰矿的浸出速率

B．加入CaO的目的是调节pH，使Fe3＋转化为Fe(OH)3除去

C．“合成MnO2”的化学方程式为MnSO4＋K2S2O8＋2H2O===MnO2↓＋K2SO4＋2H2SO4

D．“气体1”中含两种气体，一种是CO2，另一种可能是CO

答案　D

解析　搅拌可使反应物之间更充分的接触，从而提高“酸浸”时碳酸锰矿的浸出速率，故A正确；加入CaO生成氢氧化钙，能使铁离子转化成氢氧化铁沉淀除去，故B正确；“合成MnO2”是硫酸锰作还原剂，K2S2O8作氧化剂，根据得失电子守恒可得反应：MnSO4＋K2S2O8＋2H2O===MnO2↓＋K2SO4＋2H2SO4，故C正确；二氧化锰与碳酸锂混合反应生成LiMn2O4，LiMn2O4中Mn的化合价有＋3价、＋4价两种，可知发生了氧化还原反应，二氧化锰作氧化剂，则化合价升高的只能是－2价氧元素，故产物中还有氧气，“气体1”中所含两种气体应为二氧化碳和氧气，故D错误。

3．(2022·重庆八中高三模拟)黏土钒矿(主要成分为钒的＋3、＋4、＋5价的化合物以及SiO2、Al2O3等)中钒的化合物溶于酸后多以VO＋、VO2＋、VO形式存在，采用如图所示工艺流程可由黏土钒矿制备V2O5。已知：V2O5在碱性条件下以VO形式存在。下列说法不正确的是(　　)

A．“酸浸氧化”中欲使3 mol VO＋被氧化成VO，至少需要1 mol KClO3

B．滤液1中主要的阴离子有AlO、VO、Cl－、OH－、SO

C．“煅烧”时需要的仪器主要有蒸发皿、玻璃棒、三脚架、酒精灯

D．“煅烧”时，NH4VO3受热分解：2NH4VO3V2O5＋2NH3↑＋H2O

答案　C

解析　黏土钒矿中，钒以＋3、＋4、＋5价的化合物存在，还包括SiO2、Al2O3等，加入稀硫酸，使Al2O3生成Al3＋；加入KClO3将VO＋和VO2＋氧化成VO，滤渣1为SiO2，滤液含有VO、K＋、Cl－、Al3＋、SO；加入KOH溶液至pH>13，滤液1含有K＋、AlO、VO、

Cl－、OH－、SO，通入CO2生成氢氧化铝沉淀，滤液中加入NH4HCO3沉钒得到NH4VO3，最后煅烧得到V2O5。VO＋中V元素为＋3价，VO中V元素为＋5价，3 mol VO＋被氧化成VO，失去6 mol电子，1 mol KClO3变为KCl得到6 mol电子，得失电子守恒，故A正确；由上述分析可知，滤液1中主要的阴离子有AlO、VO、Cl－、OH－、SO，故B正确；“煅烧”时需要的仪器主要有坩埚、玻璃棒、三脚架、酒精灯、泥三角等，故C错误；NH4VO3煅烧生成V2O5，化学方程式为2NH4VO3V2O5＋2NH3↑＋H2O，故D正确。

4．(2022·湖北高三模拟)草酸钴主要用作制氧化钴的原料，也可用于制取其他钴化合物。利用废料铝钴膜(含有LiCoO2、Al、Fe)制备草酸钴的工艺如下：

下列有关说法错误的是(　　)

A．碱浸的目的是溶解除铝

B．氢碘酸在流程中体现酸性和还原性

C．滤渣的主要成分是氢氧化铁

D．沉钴时检验沉淀是否洗涤干净可用的试剂为盐酸

答案　D

解析　碱浸时Al溶于氢氧化钠溶液生成偏铝酸钠和氢气，碱浸的目的是溶解除铝，故A正确；氢碘酸溶解LiCoO2和Fe，发生反应的离子方程式为2LiCoO2＋2I－＋8H＋===2Li＋＋

2Co2＋＋I2＋4H2O、Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，在流程中氢碘酸体现酸性和还原性，故B正确；净化过程，氧气把Fe2＋氧化为Fe3＋，用氢氧化钠溶液调节pH生成氢氧化铁沉淀，除去铁元素，滤渣的主要成分是氢氧化铁，故C正确；沉淀表面有碘化铵，可向最后一次洗涤液中加硝酸和硝酸银溶液，若没有淡黄色沉淀生成，说明不含碘离子，沉淀已经洗涤干净，故D错误。

5．(2023·昆明模拟)锆(40Zr)是现代工业中重要的金属原料，具有良好的可塑性，其抗蚀性能强于钛。以锆英石(主要成分是ZrSiO4，还含有少量Al2O3、SiO2、Fe2O3等杂质)为原料生产锆及其化合物的流程如图所示：

(1)分馏属于______________________________________________________________(填“物理变化”或“化学变化”)。

(2)锆英石________(填“能”或“不能”)直接用稀盐酸浸取后再分馏，理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)“高温气化”中ZrSiO4发生反应得到ZrCl4的反应的化学方程式为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)流程中ZrCl4与水反应后经过滤、洗涤、干燥等操作可获得ZrOCl2·8H2O，检验该物质是否洗涤干净的实验操作为_________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)物理变化　(2)不能　ZrSiO4难溶于盐酸，后续依然需要用氯气和石油焦与锆英石反应，浪费药品　(3)ZrSiO4＋4Cl2＋4CZrCl4＋SiCl4＋4CO　(4)取少许最后一次的洗涤液于试管中，加入适量硝酸酸化的AgNO3溶液，若无沉淀产生，则已洗涤干净

解析　(1)分馏是利用互溶液体中各组分沸点的不同将各组分分离的过程，没有新物质的生成，故属于物理变化。(3)由题干流程图可知，“高温气化”中ZrSiO4与C、Cl2发生反应得到ZrCl4和SiCl4，根据元素守恒可知另一种产物是CO，故该反应的化学方程式为ZrSiO4＋4Cl2＋4CZrCl4＋SiCl4＋4CO。