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适用于老高考旧教材2024版高考化学二轮复习大题突破练一化学工艺流程题（附解析）
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这是一份适用于老高考旧教材2024版高考化学二轮复习大题突破练一化学工艺流程题（附解析），共9页。试卷主要包含了64×10-4,Ksp=2，4×10-11,Ksp=5，硫酸锰是一种重要的化工中间体，4×10-10]等内容，欢迎下载使用。
图甲
查阅资料可知:
Ⅰ.“焙烧”温度对锂提取率的影响如图乙所示:
图乙
Ⅱ.“焙烧”过程中铁的氧化物未参与反应。
Ⅲ.3SiO2·Al2O3·2[(Li,K)(F,OH)]+H2SO4(浓)Li2SO4+Al2(SO4)3+K2SO4+SiO2+SiF4↑+H2O。
Ⅳ.Li2SO4+Na2CO3Li2CO3↓+Na2SO4。
回答下列问题:
(1)“焙烧”温度理论上选择 为宜,同时为提高“焙烧”效率,还可采取的措施有 。
(2)“焙烧”产生的气体可用NaOH溶液吸收,且元素化合价均不发生变化,该反应的化学方程式为 。
(3)在“中和”过程中,为使Fe3+和Al3+完全沉淀,pH至少调整为 。
图丙
部分金属氢氧化物的pKsp(pKsp=-lg Ksp)如图丙所示:
(4)“中和”所得“滤渣1”中除氢氧化物沉淀外还含有 。
(5)“氧化”过程中发生氧化还原反应的离子方程式为 。
(6)“滤渣2”的主要成分是 。
(7)工业上还可以通过“苛化反应”,利用Li2CO3(s)+Ca2+(aq)CaCO3(s)+2Li+(aq)反应原理得到氢氧化锂溶液,进而生产出纯度更高的工业碳酸锂,请通过计算过程证实该方案的可行性: 。
[已知Ksp(Li2CO3)=8.64×10-4,Ksp(CaCO3)=2.5×10-9]
2.(2023·四川泸州二诊)四氧化三锰是电子工业生产锰锌铁氧体软磁材料的重要原料。以碳酸锰矿(主要成分为MnCO3,还含有少量FeCO3、Al2O3、MgO和SiO2等杂质)为原料制备高品位四氧化三锰的一种工艺流程如下:
已知:①0.01 ml·L-1金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见表中数据:
②Ksp(MgF2)=7.4×10-11,Ksp(MnF2)=5.6×10-3。
回答下列问题:
(1)提高“酸浸”效果的方法有 、 (任写两种)。
(2)“氧化1”步骤中,氧化剂a可选用MnO2,发生反应的离子方程式为 ;为了检验氧化是否完全,可选用的试剂是 (填化学式)。
(3)“沉铁铝”步骤中,调节pH的范围为 。
(4)“沉镁”步骤中,沉淀转化反应的平衡常数K值等于 。
(5)“沉锰”步骤中,杂质含量直接影响四氧化三锰的品位,实验测得温度对四氧化三锰中硫酸根含量的影响如图所示。实际生产中综合考虑选择50 ℃为宜,不选择更高温度的原因是 。
(6)“氧化2”步骤中发生反应的离子方程式为 。
3.(2023·宁夏银川一模)硫酸镍(NiSO4)是制备各种含镍材料的原料,在防腐、电镀、印染上有诸多应用。NiSO4·6H2O可用含镍废催化剂(主要含有Ni,还含有Al、Al2O3、Fe及其他不溶于酸、碱的杂质)制备。其制备流程如图:
已知:①lg 3≈0.5。
②常温下,部分金属化合物的Ksp近似值如表1所示:
表1
回答下列问题:
(1)“预处理”用热的纯碱溶液去除废料表面的油污,其原理是 (用离子方程式表示)。
(2)“滤液1”中的主要溶质为NaOH和 。
(3)“滤渣2”的成分为 。
(4)“滤液2”中加入H2O2发生反应的离子方程式为 。
(5)常温下,“调pH”可选用的物质是 (填字母)。
a.氨水 b.NaOH
c.NiOd.NaClO
为使Fe3+沉淀完全(离子浓度小于或等于1.0×10-5 ml·L-1),应调节溶液的pH至少为 (保留3位有效数字)。
(6)资料显示,硫酸镍结晶水合物的形态与温度的关系如表2所示:
表2
从“滤液3”获得稳定的NiSO4·6H2O晶体的操作是 。
4.(2023·辽宁沈阳二模)重铬酸钾(K2Cr2O7)在实验室和工业上都有广泛应用。如工业中常将其用于制铬矾、火柴、电镀、有机合成等。工业上以铬铁矿[主要成分为Fe(CrO2)2,杂质主要为硅、铁、铝的氧化物]制备重铬酸钾的工艺流程如下图所示:
已知:①焙烧时Fe(CrO2)2中的Fe元素转化为NaFeO2,铝的氧化物转化为NaAlO2。
②矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示,当溶液中可溶性组分浓度c≤1.0×10-5 ml·L-1时,可认为已除尽。
请回答下列问题:
(1)写出焙烧过程中发生的主要反应的化学方程式: 。
(2)水浸滤渣的主要成分是Fe(OH)3,写出生成此滤渣的离子方程式: 。
(3)中和步骤中理论pH的范围是 ,中和后滤渣的主要成分是 (填化学式)。
(4)酸化时加冰醋酸调节pH约等于5,写出酸化过程中反应的离子方程式: 。
(5)工序Ⅰ经过过滤、洗涤后获得粗产品,则工序Ⅱ的操作方法是 。
(6)可以采用氧化还原滴定法测定产品的纯度,还可以采用分光光度法测定(K2Cr2O7溶液的吸光度与其浓度成正比),但测得的质量分数明显偏低,分析原因,发现配制K2Cr2O7待测液时少加了一种试剂,该试剂可以是 (填字母)。
a.硫酸b.氢碘酸
c.硝酸钾d.氢氧化钾
5.(2023·宁夏吴忠一模)硫酸锰是一种重要的化工中间体。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿(主要成分为MnO2等锰的氧化物)为原料制备硫酸锰的工艺流程如下:
已知:①“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、MgO。
②金属离子在水溶液中沉淀的pH范围如下表所示(25 ℃):
③离子浓度≤10-5 ml·L-1时,视为离子沉淀完全。
(1)“混合焙烧”的主要目的是 。
(2)若“试剂a”为MnO2,则“氧化”步骤发生反应的离子方程式为 ;若省略“氧化”步骤,造成的影响是 。
(3)“中和除杂”时,应控制溶液的pH范围是 。
(4)“氟化除杂”后,若使溶液中Mg2+沉淀完全,需维持c(F-)不低于 。[已知:Ksp(MgF2)=6.4×10-10]
(5)“碳化结晶”时发生反应的离子方程式为 ,最后一步“系列操作”主要是 。
6.(2023·四川绵阳二诊节选)锰酸锂(LiMn2O4)是一种锂电池的正极材料。工业上以方锰矿(主要成分为MnO,还含有少量的Fe3O4、Al2O3、CaO、SiO2)为原料制备锰酸锂的流程如下:
已知:Ⅰ.25 ℃时,相关物质的Ksp近似值如表所示:
Ⅱ.25 ℃时,NH3·H2O电离常数Kb=2×10-5。
Ⅲ.离子浓度不高于1×10-5 ml·L-1时即视为沉淀完全。
回答下列问题:
(1)写出步骤①溶于稀硫酸时杂质Fe3O4反应的离子方程式: 。
(2)“滤渣1”的成分是 (填化学式);步骤②加入MnO2的目的是 。
(3)反应Al3+(aq)+3NH3·H2O(aq)Al(OH)3(s)+3N(aq)的平衡常数K= 。
(4)“离子交换”步骤和“洗脱”过程是利用反应:Mn2++2HRMnR2+2H+(HR是氢型交换树脂)的平衡移动将Mn2+进一步提纯,为了提高洗脱效率,又不引入其他杂质,淋洗液应选用 (填化学式)。
(5)步骤④反应未见气体生成,则该反应留存在“滤液3”中的产物有 (填化学式)。
(6)步骤⑤反应的化学方程式为 。
大题突破练(一) 化学工艺流程题
1.答案 (1)700 ℃ 将矿石粉碎(或搅拌)
(2)SiF4+6NaOHNa2SiO3+4NaF+3H2O
(3)5 (4)SiO2、CaSO4
(5)ClO-+2Fe2++H2O+4OH-2Fe(OH)3↓+Cl-
(6)Fe(OH)3、Mg(OH)2
(7)K=≈3.5×105>105,说明该反应可以进行完全
解析 (1)由图可知,“焙烧”温度为700℃时,锂提取率最高,所以“焙烧”的温度理论上选择700℃;将矿石粉碎或搅拌可提高“焙烧”效率。
(2)“焙烧”产生SiF4气体,SiF4中Si元素化合价为+4价,F元素化合价为-1价;用NaOH溶液吸收,且元素化合价均不发生变化,所以该反应的化学方程式为SiF4+6NaOHNa2SiO3+4NaF+3H2O。
(3)溶液中离子浓度不高于1×10-5ml·L-1时视为完全沉淀,由图可知,Al3+完全沉淀时溶液pH比Fe3+完全沉淀时更高,此时溶液中c(OH-)=ml·L-1=1×10-9ml·L-1,此时pH=5,所以pH至少调整为5。
(4)“焙烧”后的物质中SiO2不与Ca(OH)2反应;“中和”后产物中含有CaSO4,CaSO4微溶于水,所以所得“滤渣1”中除氢氧化物沉淀外还含有SiO2和CaSO4。
(5)“氧化”过程主要是氧化亚铁离子,并调pH使其沉淀,所以反应的离子方程式为ClO-+2Fe2++H2O+4OH-2Fe(OH)3↓+Cl-。
(6)根据工艺流程可知,Fe3+和Al3+在“中和”过程完全沉淀,“氧化”过程中有Fe(OH)3以及少量的Mg(OH)2生成。
2.答案 (1)碳酸锰矿粉碎、搅拌、增大H+浓度、升高温度等(任写两种,合理即可)
(2)2Fe2++4H++MnO22Fe3++Mn2++2H2O
K3[Fe(CN)6]溶液(或酸性KMnO4溶液)
(3)5.4≤pH<8.8
(4)7.6×107
(5)50 ℃后S含量减少的趋势较小,升高温度使NH3·H2O分解加快反而不利于反应
(6)6Mn(OH)2+O22Mn3O4+6H2O或6Mn2++12NH3·H2O+O22Mn3O4↓+12N+6H2O
解析 往碳酸锰矿(主要成分为MnCO3,还含有少量FeCO3、Al2O3、MgO和SiO2等杂质)中加入硫酸“酸浸”,矿石中只有SiO2不溶解,其他物质转化为FeSO4、MgSO4、Al2(SO4)3、MnSO4等;加入氧化剂a进行“氧化1”操作,此时Fe2+被氧化为Fe3+;加入试剂b“沉铁铝”,生成Al(OH)3、Fe(OH)3沉淀;过滤后,往滤液中加入MnF2,将Mg2+转化为MgF2;再次过滤后,往滤液中加入氨水,生成Mn(OH)2沉淀,然后通入O2,将Mn元素部分氧化,从而生成Mn3O4。
(1)通过增大接触面积、适当增大酸的浓度、升高温度等,都可提高“酸浸”效果。
(2)“氧化1”步骤中,将Fe2+氧化为Fe3+,氧化剂a可选用MnO2,则发生反应生成Fe3+、Mn2+等,离子方程式为2Fe2++4H++MnO22Fe3++Mn2++2H2O;为了检验氧化是否完全,需检验Fe2+是否存在,可选用的试剂是K3[Fe(CN)6]溶液或酸性KMnO4溶液。
(3)从表中可以看出,pH≥5.4时,Fe3+、Al3+全部转化为沉淀,pH=8.8时,Mn2+开始沉淀,所以“沉铁铝”步骤中,调节pH的范围为5.4≤pH<8.8。
(4)“沉镁”步骤中,沉淀转化反应为MnF2(s)+Mg2+(aq)MgF2(s)+Mn2+(aq),则平衡常数K=≈7.6×107。
3.答案 (1)C+H2OHC+OH-
(2)NaAlO2 (3)不溶于酸、碱的杂质
(4)2Fe2++2H++H2O22Fe3++2H2O
(5)c 2.83
(6)蒸发浓缩、冷却至30.8~53.8 ℃结晶并过滤
解析 (1)纯碱溶液由于C水解呈碱性:C+H2OHC+OH-,油污的主要成分是酯类化合物,酯类化合物在碱性溶液中可以水解,所以可以用纯碱溶液来去除油污,加热促进了碳酸根离子的水解。
(2)用NaOH溶液“碱浸”,废催化剂中的Al和Al2O3均与NaOH反应生成NaAlO2,“滤液1”中的主要溶质为NaOH和NaAlO2。
(3)前面加入NaOH和稀硫酸与Al、Al2O3、Fe反应,不参与反应的只剩下其他不溶于酸、碱的杂质。
(5)“调pH”可选用的物质不能引入其他杂质,所以可选用的物质为NiO;“调pH”是为了使Fe3+完全沉淀,但不能使Ni2+沉淀,Fe3+完全沉淀时c(Fe3+)≤1.0×10-5ml·L-1,c(OH-)≥ml·L-1=3×1ml·L-1,则c(H+)≤×1ml·L-1,pH≥-lg(×1)≈2.83,即pH至少为2.83。
4.答案 (1)4Fe(CrO2)2+10Na2CO3+7O28Na2CrO4+4NaFeO2+10CO2
(2)Fe+2H2OFe(OH)3↓+OH-
(3)4.5~9.3 H2SiO3、Al(OH)3
(4)2Cr+2CH3COOHCr2+2CH3COO-+H2O
(5)重结晶 (6)a
5.答案 (1)除去矿物中的硫元素(或将硫化物转变为金属氧化物)
(2)MnO2+4H++2Fe2+Mn2++2Fe3++2H2O Fe2+完全沉淀时Mn2+也完全沉淀,造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全,影响产品纯度)
(3)5.4≤pH<7.3
(4)8×10-3 ml·L-1
(5)Mn2++2MnCO3↓+CO2↑+H2O 蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥
解析 高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿“混合焙烧”,得到各类金属氧化物,加入硫酸,得到含Mn2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+、Al3+的酸性溶液,加入二氧化锰将亚铁离子氧化为铁离子,再加入碳酸钙消耗氢离子促进水解,将铁离子和铝离子以氢氧化物的形式除去,加入MnF2“氟化除杂”,使溶液中的Mg2+、Ca2+沉淀完全,此时溶液中的金属离子主要为Mn2+,加入碳酸氢铵发生反应:Mn2++2HCMnCO3↓+CO2↑+H2O,加入硫酸溶解得MnSO4溶液,经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等系列操作得到硫酸锰晶体。
(1)高硫锰矿含有FeS,“混合焙烧”可以将金属硫化物转化为金属氧化物,同时除去硫元素。
(2)若省略“氧化”步骤,则铁元素要以Fe2+和Fe3+的形式除去,但是由表格数据可知除去亚铁离子的同时锰离子也会被除去,即造成的影响是Fe2+完全沉淀时Mn2+也完全沉淀,造成Mn2+损失。
(3)“中和除杂”的目的是使铝离子、铁离子完全沉淀且锰离子不沉淀,则由表格数据可知应控制溶液的pH范围是5.4≤pH<7.3。
(4)已知:Ksp(MgF2)=6.4×10-10,若使溶液中的Mg2+沉淀完全,需维持c(F-)≥ml·L-1=8×10-3ml·L-1。
6.答案 (1)Fe3O4+8H+2Fe3++Fe2++4H2O
(2)SiO2、CaSO4 将Fe2+氧化为Fe3+
(3)8×1018 (4)H2SO4
(5)NH4HCO3、(NH4)2SO4
(6)2Li2CO3+4MnCO3·Mn(OH)2+3O24LiMn2O4+6CO2+4H2O
解析 由题给流程可知,方锰矿用稀硫酸酸溶时,金属氧化物与稀硫酸反应转化为硫酸盐(硫酸钙微溶于水),二氧化硅不与稀硫酸反应,“过滤”得到含有硫酸钙、二氧化硅的“滤渣1”和含有可溶性硫酸盐的“滤液1”;向“滤液1”中加入二氧化锰将溶液中亚铁离子氧化为铁离子后,通入NH3调节溶液的pH,将溶液中铁离子、铝离子转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀,“过滤”得到含有氢氧化铁、氢氧化铝的“滤渣2”和含有硫酸锰的“滤液2”;“滤液2”经“离子交换”、淋洗液“洗脱”后,加入碳酸铵溶液将溶液中的锰离子转化为碱式碳酸锰沉淀,“过滤”得到碱式碳酸锰和“滤液3”;碱式碳酸锰与碳酸锂在空气中高温煅烧制得锰酸锂。
(2)由分析可知,“滤渣1”的成分为硫酸钙、二氧化硅;加入二氧化锰的目的是将溶液中亚铁离子氧化为铁离子。
(3)由方程式可知,反应的平衡常数K=
=8×1018。
(4)由方程式可知,为了提高洗脱效率,又不引入其他杂质,淋洗液应选用稀硫酸,可以增大溶液中的氢离子浓度,使平衡向逆反应方向移动,有利于将锰离子进一步提纯。
金属离子
Al3+
Fe3+
Fe2+
Mg2+
Mn2+
开始沉淀
4.1
2.2
7.5
9.6
8.8
完全沉淀
5.4
3.2
9.5
—
—
化学式
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Ni(OH)2
Ksp近似值
4.9×10-17
2.7×10-39
1.3×10-33
1.0×10-15
温度
低于30.8 ℃
30.8~53.8 ℃
53.8~280 ℃
高于280 ℃
晶体形态
NiSO4·7H2O
NiSO4·6H2O
多种结晶水合物
NiSO4
物质
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Mn(OH)2
Al(OH)3
开始沉淀的pH
1.9
7.5
7.3
3.0
完全沉淀的pH
3.2
9.5
9.3
5.4
物质
Mn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Ca(OH)2
Ksp
2×10-13
5×10-17
3×10-39
1×10-33
5×10-6
图甲
查阅资料可知:
Ⅰ.“焙烧”温度对锂提取率的影响如图乙所示:
图乙
Ⅱ.“焙烧”过程中铁的氧化物未参与反应。
Ⅲ.3SiO2·Al2O3·2[(Li,K)(F,OH)]+H2SO4(浓)Li2SO4+Al2(SO4)3+K2SO4+SiO2+SiF4↑+H2O。
Ⅳ.Li2SO4+Na2CO3Li2CO3↓+Na2SO4。
回答下列问题:
(1)“焙烧”温度理论上选择 为宜,同时为提高“焙烧”效率,还可采取的措施有 。
(2)“焙烧”产生的气体可用NaOH溶液吸收,且元素化合价均不发生变化,该反应的化学方程式为 。
(3)在“中和”过程中,为使Fe3+和Al3+完全沉淀,pH至少调整为 。
图丙
部分金属氢氧化物的pKsp(pKsp=-lg Ksp)如图丙所示:
(4)“中和”所得“滤渣1”中除氢氧化物沉淀外还含有 。
(5)“氧化”过程中发生氧化还原反应的离子方程式为 。
(6)“滤渣2”的主要成分是 。
(7)工业上还可以通过“苛化反应”,利用Li2CO3(s)+Ca2+(aq)CaCO3(s)+2Li+(aq)反应原理得到氢氧化锂溶液,进而生产出纯度更高的工业碳酸锂,请通过计算过程证实该方案的可行性: 。
[已知Ksp(Li2CO3)=8.64×10-4,Ksp(CaCO3)=2.5×10-9]
2.(2023·四川泸州二诊)四氧化三锰是电子工业生产锰锌铁氧体软磁材料的重要原料。以碳酸锰矿(主要成分为MnCO3,还含有少量FeCO3、Al2O3、MgO和SiO2等杂质)为原料制备高品位四氧化三锰的一种工艺流程如下:
已知:①0.01 ml·L-1金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见表中数据:
②Ksp(MgF2)=7.4×10-11,Ksp(MnF2)=5.6×10-3。
回答下列问题:
(1)提高“酸浸”效果的方法有 、 (任写两种)。
(2)“氧化1”步骤中,氧化剂a可选用MnO2,发生反应的离子方程式为 ;为了检验氧化是否完全,可选用的试剂是 (填化学式)。
(3)“沉铁铝”步骤中,调节pH的范围为 。
(4)“沉镁”步骤中,沉淀转化反应的平衡常数K值等于 。
(5)“沉锰”步骤中,杂质含量直接影响四氧化三锰的品位,实验测得温度对四氧化三锰中硫酸根含量的影响如图所示。实际生产中综合考虑选择50 ℃为宜,不选择更高温度的原因是 。
(6)“氧化2”步骤中发生反应的离子方程式为 。
3.(2023·宁夏银川一模)硫酸镍(NiSO4)是制备各种含镍材料的原料,在防腐、电镀、印染上有诸多应用。NiSO4·6H2O可用含镍废催化剂(主要含有Ni,还含有Al、Al2O3、Fe及其他不溶于酸、碱的杂质)制备。其制备流程如图:
已知:①lg 3≈0.5。
②常温下,部分金属化合物的Ksp近似值如表1所示:
表1
回答下列问题:
(1)“预处理”用热的纯碱溶液去除废料表面的油污,其原理是 (用离子方程式表示)。
(2)“滤液1”中的主要溶质为NaOH和 。
(3)“滤渣2”的成分为 。
(4)“滤液2”中加入H2O2发生反应的离子方程式为 。
(5)常温下,“调pH”可选用的物质是 (填字母)。
a.氨水 b.NaOH
c.NiOd.NaClO
为使Fe3+沉淀完全(离子浓度小于或等于1.0×10-5 ml·L-1),应调节溶液的pH至少为 (保留3位有效数字)。
(6)资料显示,硫酸镍结晶水合物的形态与温度的关系如表2所示:
表2
从“滤液3”获得稳定的NiSO4·6H2O晶体的操作是 。
4.(2023·辽宁沈阳二模)重铬酸钾(K2Cr2O7)在实验室和工业上都有广泛应用。如工业中常将其用于制铬矾、火柴、电镀、有机合成等。工业上以铬铁矿[主要成分为Fe(CrO2)2,杂质主要为硅、铁、铝的氧化物]制备重铬酸钾的工艺流程如下图所示:
已知:①焙烧时Fe(CrO2)2中的Fe元素转化为NaFeO2,铝的氧化物转化为NaAlO2。
②矿物中相关元素可溶性组分物质的量浓度c与pH的关系如图所示,当溶液中可溶性组分浓度c≤1.0×10-5 ml·L-1时,可认为已除尽。
请回答下列问题:
(1)写出焙烧过程中发生的主要反应的化学方程式: 。
(2)水浸滤渣的主要成分是Fe(OH)3,写出生成此滤渣的离子方程式: 。
(3)中和步骤中理论pH的范围是 ,中和后滤渣的主要成分是 (填化学式)。
(4)酸化时加冰醋酸调节pH约等于5,写出酸化过程中反应的离子方程式: 。
(5)工序Ⅰ经过过滤、洗涤后获得粗产品,则工序Ⅱ的操作方法是 。
(6)可以采用氧化还原滴定法测定产品的纯度,还可以采用分光光度法测定(K2Cr2O7溶液的吸光度与其浓度成正比),但测得的质量分数明显偏低,分析原因,发现配制K2Cr2O7待测液时少加了一种试剂,该试剂可以是 (填字母)。
a.硫酸b.氢碘酸
c.硝酸钾d.氢氧化钾
5.(2023·宁夏吴忠一模)硫酸锰是一种重要的化工中间体。一种以高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿(主要成分为MnO2等锰的氧化物)为原料制备硫酸锰的工艺流程如下:
已知:①“混合焙烧”后烧渣含MnSO4、Fe2O3及少量FeO、Al2O3、MgO。
②金属离子在水溶液中沉淀的pH范围如下表所示(25 ℃):
③离子浓度≤10-5 ml·L-1时,视为离子沉淀完全。
(1)“混合焙烧”的主要目的是 。
(2)若“试剂a”为MnO2,则“氧化”步骤发生反应的离子方程式为 ;若省略“氧化”步骤,造成的影响是 。
(3)“中和除杂”时,应控制溶液的pH范围是 。
(4)“氟化除杂”后,若使溶液中Mg2+沉淀完全,需维持c(F-)不低于 。[已知:Ksp(MgF2)=6.4×10-10]
(5)“碳化结晶”时发生反应的离子方程式为 ,最后一步“系列操作”主要是 。
6.(2023·四川绵阳二诊节选)锰酸锂(LiMn2O4)是一种锂电池的正极材料。工业上以方锰矿(主要成分为MnO,还含有少量的Fe3O4、Al2O3、CaO、SiO2)为原料制备锰酸锂的流程如下:
已知:Ⅰ.25 ℃时,相关物质的Ksp近似值如表所示:
Ⅱ.25 ℃时,NH3·H2O电离常数Kb=2×10-5。
Ⅲ.离子浓度不高于1×10-5 ml·L-1时即视为沉淀完全。
回答下列问题:
(1)写出步骤①溶于稀硫酸时杂质Fe3O4反应的离子方程式: 。
(2)“滤渣1”的成分是 (填化学式);步骤②加入MnO2的目的是 。
(3)反应Al3+(aq)+3NH3·H2O(aq)Al(OH)3(s)+3N(aq)的平衡常数K= 。
(4)“离子交换”步骤和“洗脱”过程是利用反应:Mn2++2HRMnR2+2H+(HR是氢型交换树脂)的平衡移动将Mn2+进一步提纯,为了提高洗脱效率,又不引入其他杂质,淋洗液应选用 (填化学式)。
(5)步骤④反应未见气体生成,则该反应留存在“滤液3”中的产物有 (填化学式)。
(6)步骤⑤反应的化学方程式为 。
大题突破练(一) 化学工艺流程题
1.答案 (1)700 ℃ 将矿石粉碎(或搅拌)
(2)SiF4+6NaOHNa2SiO3+4NaF+3H2O
(3)5 (4)SiO2、CaSO4
(5)ClO-+2Fe2++H2O+4OH-2Fe(OH)3↓+Cl-
(6)Fe(OH)3、Mg(OH)2
(7)K=≈3.5×105>105,说明该反应可以进行完全
解析 (1)由图可知,“焙烧”温度为700℃时,锂提取率最高,所以“焙烧”的温度理论上选择700℃;将矿石粉碎或搅拌可提高“焙烧”效率。
(2)“焙烧”产生SiF4气体,SiF4中Si元素化合价为+4价,F元素化合价为-1价;用NaOH溶液吸收,且元素化合价均不发生变化,所以该反应的化学方程式为SiF4+6NaOHNa2SiO3+4NaF+3H2O。
(3)溶液中离子浓度不高于1×10-5ml·L-1时视为完全沉淀,由图可知,Al3+完全沉淀时溶液pH比Fe3+完全沉淀时更高,此时溶液中c(OH-)=ml·L-1=1×10-9ml·L-1,此时pH=5,所以pH至少调整为5。
(4)“焙烧”后的物质中SiO2不与Ca(OH)2反应;“中和”后产物中含有CaSO4,CaSO4微溶于水,所以所得“滤渣1”中除氢氧化物沉淀外还含有SiO2和CaSO4。
(5)“氧化”过程主要是氧化亚铁离子,并调pH使其沉淀,所以反应的离子方程式为ClO-+2Fe2++H2O+4OH-2Fe(OH)3↓+Cl-。
(6)根据工艺流程可知,Fe3+和Al3+在“中和”过程完全沉淀,“氧化”过程中有Fe(OH)3以及少量的Mg(OH)2生成。
2.答案 (1)碳酸锰矿粉碎、搅拌、增大H+浓度、升高温度等(任写两种,合理即可)
(2)2Fe2++4H++MnO22Fe3++Mn2++2H2O
K3[Fe(CN)6]溶液(或酸性KMnO4溶液)
(3)5.4≤pH<8.8
(4)7.6×107
(5)50 ℃后S含量减少的趋势较小,升高温度使NH3·H2O分解加快反而不利于反应
(6)6Mn(OH)2+O22Mn3O4+6H2O或6Mn2++12NH3·H2O+O22Mn3O4↓+12N+6H2O
解析 往碳酸锰矿(主要成分为MnCO3,还含有少量FeCO3、Al2O3、MgO和SiO2等杂质)中加入硫酸“酸浸”,矿石中只有SiO2不溶解,其他物质转化为FeSO4、MgSO4、Al2(SO4)3、MnSO4等;加入氧化剂a进行“氧化1”操作,此时Fe2+被氧化为Fe3+;加入试剂b“沉铁铝”,生成Al(OH)3、Fe(OH)3沉淀;过滤后,往滤液中加入MnF2,将Mg2+转化为MgF2;再次过滤后,往滤液中加入氨水,生成Mn(OH)2沉淀,然后通入O2,将Mn元素部分氧化,从而生成Mn3O4。
(1)通过增大接触面积、适当增大酸的浓度、升高温度等,都可提高“酸浸”效果。
(2)“氧化1”步骤中,将Fe2+氧化为Fe3+,氧化剂a可选用MnO2,则发生反应生成Fe3+、Mn2+等,离子方程式为2Fe2++4H++MnO22Fe3++Mn2++2H2O;为了检验氧化是否完全,需检验Fe2+是否存在,可选用的试剂是K3[Fe(CN)6]溶液或酸性KMnO4溶液。
(3)从表中可以看出,pH≥5.4时,Fe3+、Al3+全部转化为沉淀,pH=8.8时,Mn2+开始沉淀,所以“沉铁铝”步骤中,调节pH的范围为5.4≤pH<8.8。
(4)“沉镁”步骤中,沉淀转化反应为MnF2(s)+Mg2+(aq)MgF2(s)+Mn2+(aq),则平衡常数K=≈7.6×107。
3.答案 (1)C+H2OHC+OH-
(2)NaAlO2 (3)不溶于酸、碱的杂质
(4)2Fe2++2H++H2O22Fe3++2H2O
(5)c 2.83
(6)蒸发浓缩、冷却至30.8~53.8 ℃结晶并过滤
解析 (1)纯碱溶液由于C水解呈碱性:C+H2OHC+OH-,油污的主要成分是酯类化合物,酯类化合物在碱性溶液中可以水解,所以可以用纯碱溶液来去除油污,加热促进了碳酸根离子的水解。
(2)用NaOH溶液“碱浸”,废催化剂中的Al和Al2O3均与NaOH反应生成NaAlO2,“滤液1”中的主要溶质为NaOH和NaAlO2。
(3)前面加入NaOH和稀硫酸与Al、Al2O3、Fe反应,不参与反应的只剩下其他不溶于酸、碱的杂质。
(5)“调pH”可选用的物质不能引入其他杂质,所以可选用的物质为NiO;“调pH”是为了使Fe3+完全沉淀,但不能使Ni2+沉淀,Fe3+完全沉淀时c(Fe3+)≤1.0×10-5ml·L-1,c(OH-)≥ml·L-1=3×1ml·L-1,则c(H+)≤×1ml·L-1,pH≥-lg(×1)≈2.83,即pH至少为2.83。
4.答案 (1)4Fe(CrO2)2+10Na2CO3+7O28Na2CrO4+4NaFeO2+10CO2
(2)Fe+2H2OFe(OH)3↓+OH-
(3)4.5~9.3 H2SiO3、Al(OH)3
(4)2Cr+2CH3COOHCr2+2CH3COO-+H2O
(5)重结晶 (6)a
5.答案 (1)除去矿物中的硫元素(或将硫化物转变为金属氧化物)
(2)MnO2+4H++2Fe2+Mn2++2Fe3++2H2O Fe2+完全沉淀时Mn2+也完全沉淀,造成Mn2+损失(或Fe2+去除不完全,影响产品纯度)
(3)5.4≤pH<7.3
(4)8×10-3 ml·L-1
(5)Mn2++2MnCO3↓+CO2↑+H2O 蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥
解析 高硫锰矿(主要成分为含锰化合物及FeS)与氧化锰矿“混合焙烧”,得到各类金属氧化物,加入硫酸,得到含Mn2+、Fe2+、Fe3+、Mg2+、Al3+的酸性溶液,加入二氧化锰将亚铁离子氧化为铁离子,再加入碳酸钙消耗氢离子促进水解,将铁离子和铝离子以氢氧化物的形式除去,加入MnF2“氟化除杂”,使溶液中的Mg2+、Ca2+沉淀完全,此时溶液中的金属离子主要为Mn2+,加入碳酸氢铵发生反应:Mn2++2HCMnCO3↓+CO2↑+H2O,加入硫酸溶解得MnSO4溶液,经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等系列操作得到硫酸锰晶体。
(1)高硫锰矿含有FeS,“混合焙烧”可以将金属硫化物转化为金属氧化物,同时除去硫元素。
(2)若省略“氧化”步骤,则铁元素要以Fe2+和Fe3+的形式除去,但是由表格数据可知除去亚铁离子的同时锰离子也会被除去,即造成的影响是Fe2+完全沉淀时Mn2+也完全沉淀,造成Mn2+损失。
(3)“中和除杂”的目的是使铝离子、铁离子完全沉淀且锰离子不沉淀,则由表格数据可知应控制溶液的pH范围是5.4≤pH<7.3。
(4)已知:Ksp(MgF2)=6.4×10-10,若使溶液中的Mg2+沉淀完全,需维持c(F-)≥ml·L-1=8×10-3ml·L-1。
6.答案 (1)Fe3O4+8H+2Fe3++Fe2++4H2O
(2)SiO2、CaSO4 将Fe2+氧化为Fe3+
(3)8×1018 (4)H2SO4
(5)NH4HCO3、(NH4)2SO4
(6)2Li2CO3+4MnCO3·Mn(OH)2+3O24LiMn2O4+6CO2+4H2O
解析 由题给流程可知,方锰矿用稀硫酸酸溶时,金属氧化物与稀硫酸反应转化为硫酸盐(硫酸钙微溶于水),二氧化硅不与稀硫酸反应,“过滤”得到含有硫酸钙、二氧化硅的“滤渣1”和含有可溶性硫酸盐的“滤液1”;向“滤液1”中加入二氧化锰将溶液中亚铁离子氧化为铁离子后,通入NH3调节溶液的pH,将溶液中铁离子、铝离子转化为氢氧化铁、氢氧化铝沉淀,“过滤”得到含有氢氧化铁、氢氧化铝的“滤渣2”和含有硫酸锰的“滤液2”;“滤液2”经“离子交换”、淋洗液“洗脱”后,加入碳酸铵溶液将溶液中的锰离子转化为碱式碳酸锰沉淀,“过滤”得到碱式碳酸锰和“滤液3”;碱式碳酸锰与碳酸锂在空气中高温煅烧制得锰酸锂。
(2)由分析可知,“滤渣1”的成分为硫酸钙、二氧化硅;加入二氧化锰的目的是将溶液中亚铁离子氧化为铁离子。
(3)由方程式可知,反应的平衡常数K=
=8×1018。
(4)由方程式可知,为了提高洗脱效率,又不引入其他杂质,淋洗液应选用稀硫酸,可以增大溶液中的氢离子浓度,使平衡向逆反应方向移动,有利于将锰离子进一步提纯。
金属离子
Al3+
Fe3+
Fe2+
Mg2+
Mn2+
开始沉淀
4.1
2.2
7.5
9.6
8.8
完全沉淀
5.4
3.2
9.5
—
—
化学式
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Ni(OH)2
Ksp近似值
4.9×10-17
2.7×10-39
1.3×10-33
1.0×10-15
温度
低于30.8 ℃
30.8~53.8 ℃
53.8~280 ℃
高于280 ℃
晶体形态
NiSO4·7H2O
NiSO4·6H2O
多种结晶水合物
NiSO4
物质
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Mn(OH)2
Al(OH)3
开始沉淀的pH
1.9
7.5
7.3
3.0
完全沉淀的pH
3.2
9.5
9.3
5.4
物质
Mn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Ca(OH)2
Ksp
2×10-13
5×10-17
3×10-39
1×10-33
5×10-6
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