2024届高考化学一轮复习 第三章 金属及其化合物 第5讲 无机化学工艺流程解题策略课件PPT

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1．(2022·全国甲卷)硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3，杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下：
本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表：
(3)加入物质X调溶液pH＝5，最适宜使用的X是________(填标号)。A．NH3·H2O　　B．Ca(OH)2　　C．NaOH滤渣①的主要成分是__________、__________、__________。(4)向80～90 ℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO2，该步反应的离子方程式为___________________________________________________________________________________________。(5)滤液②中加入锌粉的目的是______________________________________________________________________________________________。(6)滤渣④与浓H2SO4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是__________、__________。
(3)NH3·H2O易分解产生NH3污染空气，且经济成本较高，故A不适宜；Ca(OH)2不会引入新的杂质，且成本较低，故B适宜；NaOH会引入杂质Na＋，且成本较高，C不适宜；当沉淀完全时(离子浓度小于10－5ml·L－1)，结合表格Ksp计算各离子完全沉淀时pH＜5的只有Fe3＋，故滤渣①中有Fe(OH)3，又CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故滤渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；(4)向80～90 ℃滤液①中加入KMnO4溶液，可氧化Fe2＋，得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②，反应的离子方程式为3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋；
(5)滤液②中加入锌粉，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，故加入锌粉的目的为除去Cu2＋；(6)由分析，滤渣④为CaF2、MgF2，与浓硫酸反应可得到HF，同时得到的副产物为CaSO4、MgSO4。
2．(2022·广东等级考)稀土(RE)包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：
已知：月桂酸(C11H23COOH)熔点为44 ℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持＋3价不变；(C11H23COO)2Mg的Ksp＝1.8×10－8，Al(OH)3开始溶解时的pH为8.8；有关金属离子沉淀的相关pH见下表。
(1)“氧化调pH”中，化合价有变化的金属离子是________。(2)“过滤1”前，用NaOH溶液调pH至________的范围内，该过程中Al3＋发生反应的离子方程式为__________________________________________。(3)“过滤2”后，滤饼中检测不到Mg元素，滤液2中Mg2＋浓度为2.7 g·L－1。为尽可能多地提取RE3＋，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO－)低于______ ml·L－1(保留两位有效数字)。(4)①“加热搅拌”有利于加快RE3＋溶出、提高产率，其原因是______________________________________________________________。②“操作X”的过程为：先________，再固液分离。
(5)该工艺中，可再生循环利用的物质有________(写化学式)。(6)稀土元素钇(Y)可用于制备高活性的合金类催化剂Pt3Y。①还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1 ml Pt3Y转移________ ml电子。②Pt3Y/C用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化O2的还原，发生的电极反应为__________________________________________。
(4)①“加热搅拌”有利于加快RE3＋溶出、提高产率，其原因是加热搅拌可加快反应速率；② “操作X”的结果是分离出月桂酸，由信息可知，月桂酸(C11H23COOH)熔点为44 ℃，故“操作X”的过程为：先冷却结晶，再固液分离；(5)由分析可知，该工艺中，可再生循环利用的物质有MgSO4；(6)①YCl3中Y为＋3价，PtCl4中Pt为＋4价，而Pt3Y中金属均为0价，所以还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1 ml Pt3Y转移15 ml电子；②碱性溶液中，氢氧燃料电池正极发生还原反应，发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
答案：(1)Fe2＋(2)4.7≤pH(H)>Bi>Cu；③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下：
回答下列问题：(1)为提高焙烧效率，可采取的措施为__________。a．进一步粉碎矿石b．鼓入适当过量的空气c．降低焙烧温度(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3，反应的化学方程式为______________________________________________________。
(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为：①充分浸出Bi3＋和Mn2＋；②______________。(4)滤渣的主要成分为__________(填化学式)。(5)生成气体A的离子方程式为_________________________________。(6)加入金属Bi的目的是________________。[解析]　联合焙烧：由已知信息①和第(2)问题干可知，发生转化：Bi2S3―→Bi2O3＋SO2、FeS2―→Fe2O3＋SO2、MnO2―→Mn2O3＋MnSO4，故联合焙烧后得到Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3、MnSO4和SiO2；水浸：MnSO4进入滤液，滤渣为Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3和SiO2；
酸浸：加入过量浓盐酸后，Bi2O3和Fe2O3发生转化：Bi2O3―→Bi3＋、Fe2O3―→Fe3＋，因Mn2O3有氧化性，会与浓盐酸发生氧化还原反应：Mn2O3＋6H＋＋2Cl－===2Mn2＋＋Cl2↑＋3H2O，气体A为Cl2，滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiO2，滤液中金属离子为Bi3＋、Fe3＋、Mn2＋；第(4)(5)问转化：由已知信息②知，Fe的金属活动性强于Bi，且调pH＝2.6时Mn2＋和Fe2＋进入滤液，可知加入金属Bi的目的是将Fe3＋还原为Fe2＋。(1)联合焙烧时，进一步粉碎矿石，可以增大矿石与空气的接触面积，能够提高焙烧效率，a符合题意；鼓入适当过量的空气有利于矿石充分反应，b符合题意；降低焙烧温度，反应速率减慢，不利于提高焙烧效率，c不符合题意；
[对点训练](2023·扬州模拟)工业以炼钢污泥(主要成分为铁的氧化物，还含有CaO、SiO2、C等杂质)为原料制备脱硫剂活性Fe2O3·H2O，并用该脱硫剂处理沼气中H2S的流程如图：
(2)“除杂”：若使还原后的滤液中Ca2＋完全沉淀(离子浓度小于10－6ml·L－1)，则滤液中c(F－)需大于__________；若溶液的pH偏低，将会导致CaF2沉淀不完全，其原因是___________________________________[Ksp(CaF2)＝1.44×10－10，Ka(HF)＝3.53×10－4]。(3)“沉铁”：生成FeCO3沉淀的离子方程式为___________________________________________________________________________________。
(4)“脱硫、再生”：活性Fe2O3·H2O是一种固体脱硫剂(无水Fe2O3无脱硫作用)，其原理是将废气中的含硫化合物化学吸附到脱硫剂的孔隙中，发生反应改变其化学组成。当脱硫剂达到饱和后，即不再具有脱硫能力，需要对其进行再生。利用活性Fe2O3·H2O脱除沼气中的H2S可转化成Fe2S3·H2O，其脱除及常温下再生的原理如图所示。
①“脱硫”反应的化学方程式为_______________________________________________________________________________________________。②工业上要求脱除及再生整个过程温度不能超过90 ℃，原因是_____________________________________________________________；多次“再生”后，脱硫剂的活性不断下降，脱硫效果明显变差的原因可能是____________________________________________________________。
(4)①根据反应原理可知在“脱硫”反应中，Fe2O3·H2O和H2S反应产生Fe2S3·H2O和H2O；②工业上要求脱除及再生整个过程温度不能超过90 ℃，这是由于温度超过90 ℃，Fe2O3·H2O和Fe2S3·H2O均会发生分解，失去结晶水，失去脱硫作用；多次“再生”后，脱硫剂的活性不断下降，脱硫效果明显变差的原因可能是由于多次“再生”后，脱硫剂表面的大部分孔隙被S或其他物质覆盖，使得脱硫剂的活性下降。
题型(二)　以物质分离提纯为主体的化工流程1．常用的分离方法
[注意]　物质分离提纯的原则①不增：不引入新的杂质。②不减：不减少被提纯的物质。③易分离：被提纯物质与杂质易于分离。④易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成、状态。
[典例]　(2022·全国乙卷)废旧铅蓄电池的铅膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb。还有少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等。为了保护环境、充分利用铅资源，通过如图流程实现铅的回收。
一些难溶电解质的溶度积常数如下表：
一定条件下，一些金属氢氧化物沉淀时的pH如下表：
回答下列问题：(1)在“脱硫”中PbSO4转化反应的离子方程式为__________________，用沉淀溶解平衡原理解释选择Na2CO3的原因______________________________________________________。(2)在“脱硫”中，加入Na2CO3不能使铅膏中BaSO4完全转化，原因是_________________________________________。
(3)在“酸浸”中，除加入醋酸(HAc)，还要加入H2O2。(ⅰ)能被H2O2氧化的离子是____________；(ⅱ)H2O2促进了金属Pb在醋酸中转化为Pb(Ac)2，其化学方程式为_______________________________________________________；(ⅲ)H2O2也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，H2O2的作用是_________________。(4)“酸浸”后溶液的pH约为4.9，滤渣的主要成分是__________________。(5)“沉铅”的滤液中，金属离子有______________。
[解析]　(1)PbCO3的Ksp远小于PbSO4的Ksp，易发生生成PbCO3的沉淀转化，且进行较为彻底。(2)BaCO3的Ksp大于BaSO4的Ksp，不易发生生成BaCO3的沉淀转化，即使发生程度也很小。(3)(ⅰ)过氧化氢有氧化性，亚铁离子有还原性，会被过氧化氢氧化为铁离子。(ⅱ)过氧化氢与Pb、HAc发生氧化还原反应生成Pb(Ac)2和H2O，反应的化学方程式为Pb＋H2O2＋2HAc===Pb(Ac)2＋2H2O。(ⅲ)过氧化氢也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，铅元素化合价由＋4价降低到了＋2价，PbO2是氧化剂，则过氧化氢是还原剂。
(4)酸浸后溶液的pH约为4.9，依据金属氢氧化物沉淀时的pH可知，滤渣主要成分为氢氧化铝、氢氧化铁。(5)依据分析可知，加入碳酸钠不能使铅膏中的BaSO4完全转化，铁离子、铝离子转化成了氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，铅转化成了氢氧化铅，最终变成了氧化铅，因此沉铅的滤液中，金属离子有Ba2＋和加入碳酸钠、氢氧化钠时引入的Na＋。
[对点训练](2023·济南模拟)铈可用作优良的环保材料，现以氟碳铈矿(CeFCO3，含Fe2O3、FeO等杂质)为原料制备铈，其工艺流程如图所示：
回答下列问题：(1)粉碎后“焙烧”时，氧化数据如表所示：
(2)用盐酸和H3BO3提取Ce元素时，体现盐酸的性质有______________，“滤渣Ⅰ”用饱和KCl溶液溶解时发生复分解反应，则“滤渣Ⅱ”主要成分为_________________________________________________(填化学式)。　　　(3)“滤液Ⅰ”中c(Ce3＋)＝0.1 ml·L－1，用氨水调pH的范围是__________，“滤液Ⅱ”中加入NH4HCO3反应的离子方程式为________________________________________，若Ce2(CO3)3经充分焙烧质量减少5.8 t，则获得CeO2的质量为__________t。(4)用过量铝粉还原CeO2即可得Ce，反应的化学方程式为________________________，铝粉必须过量的原因是_____________________________________________。
解析：氟碳铈矿在空气中焙烧，Ce(Ⅲ)在空气中被氧化为Ce(Ⅳ)，Fe(Ⅱ)被氧化为Fe(Ⅲ)，用盐酸和H3BO3的混合液浸取，Ce(Ⅳ)被还原，过滤得到滤渣Ⅰ，主要成分是难溶于水的Ce(BF4)3，Fe3＋进入滤液Ⅰ；滤渣Ⅰ用饱和KCl溶液溶解时发生复分解反应，生成KBF4和CeCl3溶液，滤渣Ⅱ是KBF4；向滤液Ⅱ(含Ce3＋的溶液)中再加入碳酸氢铵使Ce3＋沉淀为Ce2(CO3)3，最后焙烧生成CeO2，再经还原得到Ce。