2022高考化学一轮复习专练15金属及其化合物的制备流程含解析

专练15　金属及其化合物的制备流程

1．[2021·湖南卷]Ce2(CO3)3可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铈(Ce)主要以CePO4形式存在，还含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaF2等物质。以独居石为原料制备Ce23·nH2O的工艺流程如下：

回答下列问题：

(1)铈的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为________；

(2)为提高“水浸”效率，可采取的措施有________________________(至少写两条)；

(3)滤渣Ⅲ的主要成分是________(填化学式)；

(4)加入絮凝剂的目的是________________________；

(5)“沉铈”过程中，生成Ce23·nH2O的离子方程式为____________________，常温下加入的NH4HCO3溶液呈________(填“酸性”“碱性”或“中性”)(已知：NH3·H2O的Kb＝1.75×10－5，H2CO3的Ka1＝4.4×10－7，Ka2＝4.7×10－11)；

(6)滤渣Ⅱ的主要成分为FePO4，在高温条件下，Li2CO3、葡萄糖和FePO4可制备电极材料LiFePO4，同时生成CO和H2O，该反应的化学方程式为________________________。

2．某研究性学习小组将一定浓度的Na2CO3溶液滴入CuSO4溶液中得到蓝色沉淀。

甲同学认为沉淀可能是CuCO3；

乙同学认为沉淀可能是Cu(OH)2；

丙同学认为沉淀可能是CuCO3和Cu(OH)2的混合物。[查阅资料知：CuCO3和Cu(OH)2均不带结晶水，受热均易分解，各生成对应的两种氧化物]

Ⅰ.(1)乙同学的观点，你认为其原理是(用离子方程式表示)：__________________。

(2)在探究沉淀成分前，须将沉淀从溶液中过滤、洗涤、低温干燥，检验沉淀是否洗涤干净的方法是________________________________________。

Ⅱ.请用下图所示装置，选择必要的试剂，定性探究生成物的成分。

(3)B装置中试剂的化学式是________，C装置中试剂的名称是____________。

(4)能证明乙同学观点正确的预期实验现象是________________________________。

Ⅲ.若丙同学的观点正确，可利用下列装置通过实验测定其组成。

(5)实验装置的连接顺序为____________________。

(6)装置C中碱石灰的作用是________________，实验开始和结束时都要通过量的空气，请说明结束时通入过量空气的作用是________________________________________________________________________。

(7)若沉淀样品的质量为mg，装置B质量增加了ng，则沉淀中CuCO3的质量分数为________。

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＝×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)转化为__________(填化学式)。

(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)＝________。

4．[2021·全国乙卷]磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3，为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表：

回答下列问题：

(1)“焙烧”中，TiO2、SiO2几乎不发生反应，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应的硫酸盐。写出Al2O3转化为NH4Al(SO4)2的化学方程式________________________________________________________________________。

(2)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0，在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6，依次析出的金属离子是

________________________________________________________________________。

(3)“母液①”中Mg2＋浓度为________mol·L－1。

(4)“水浸渣”在160℃“酸溶”，最适合的酸是________。“酸溶渣”的成分是________、________。

(5)“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热，TiO2＋水解析出TiO2·xH2O沉淀，该反应的离子方程式是__________________________________________________________________。

(6)将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得________，循环利用。

5．草酸亚铁晶体(FeC2O4·2H2O)是一种浅黄色固体，难溶于水，受热易分解，是生产锂电池的原材料，也常用作分析试剂及显影剂等，其制备流程如下：

(1)配制硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]溶液时，需加少量硫酸，目的是________________________________________________________________________。

(2)加热到沸腾时发生反应的化学方程式为________________________________________________。

(3)向盛有草酸亚铁晶体的试管中滴入硫酸酸化的KMnO4溶液，振荡，溶液变为棕黄色，同时有气体生成。已知反应中MnO转化为无色的Mn2＋，则该过程中被氧化的元素是________，若反应中消耗1molFeC2O4·2H2O，则参加反应的n(KMnO4)＝________。

(4)称取3.80g草酸亚铁晶体(FeC2O4·2H2O相对分子质量是180)用热重法对其进行热分解，得到剩余固体的质量随温度变化的曲线如图所示：

①过程Ⅰ发生反应的化学方程式为__________________________________________

____________________________________________________________________________。

②300℃时剩余固体只有一种且是铁的氧化物，试通过计算确定该氧化物的化学式或名称________(请写出计算过程)。

6．工业上以黄铜矿(主要成分CuFeS2)为原料制备CuSO4·5H2O的主要流程如下：

(1)图1装置可用于吸收气体X的是________(填代号)。

(2)某研究性学习小组用泡铜与CO反应来制取粗铜。

①图2装置B中的药品为________。

②实验时，依次进行如下操作：组装仪器、________、加装药品、通入气体、________、点燃酒精灯。

(3)熔渣Y的成分为Fe2O3和FeO，选用提供的试剂，设计实验验证熔渣中含有FeO，写出有关实验操作、现象与结论。提供的试剂：稀盐酸、稀硫酸、KSCN溶液、KMnO4溶液、NaOH溶液、氯水________。

(4)向粗铜中加入硫酸和硝酸的混酸溶液制取硫酸铜时(杂质不参加反应)，混酸中H2SO4与HNO3的最佳物质的量之比为________。

(5)用滴定法测定所得产品中CuSO4·5H2O的含量，称取ag样品配成100ml溶液，取出20.00mL，用cmol/L滴定剂EDTA(H2Y2－)标准溶液滴定至终点(滴定剂不与杂质反应)，消耗滴定剂6mL。滴定反应如下：Cu2＋＋H2Y2－===CuY2－＋2H＋。则CuSO4·5H2O质量分数为________。滴定管用蒸馏水洗涤后，直接注入标准溶液，则会导致测定结果偏________。

专练15　金属及其化合物的制备流程

1．(1)Ce

(2)搅拌、适当升高温度(合理即可)

(3)Al(OH)3

(4)促进Al(OH)3胶体聚沉，便于分离

(5)2Ce3＋＋6HCO＋(n－3)H2O===Ce2(CO3)3·nH2O↓＋3CO2↑　碱性

(6)6FePO4＋3Li2CO3＋C6H12O66LiFePO4＋9CO↑＋6H2O↑

解析：(1)由质量数＝质子数＋中子数可知，铈的质量数＝58＋80＝138，因此该核素的符号为Ce。(2)为提高“水浸”效率，可采取搅拌、适当升高温度、研碎等措施。(3)根据流程及题中信息分析可知，滤渣Ⅰ为SiO2、CaSO4，滤渣Ⅱ为FePO4，滤渣Ⅲ的主要成分为Al(OH)3。(4)加入絮凝剂的目的是使悬浮粒子聚集变大，加快粒子聚沉速度，更快地形成沉淀。(5)“沉铈”过程中，Ce3＋与HCO反应生成Ce2(CO3)3·nH2O，反应的离子方程式为2Ce3＋＋6HCO＋(n－3)H2O===Ce2(CO3)3·nH2O↓＋3CO2↑。由于NH水解溶液显酸性，HCO水解溶液显碱性，根据题中提供的电离平衡常数，可计算出NH的水解平衡常数为＝≈5.71×10－10，HCO的水解平衡常数为＝≈2.3×10－8，所以HCO的水解程度大于NH的水解程度，所以溶液显碱性。(6)根据题中信息，可知反应物为Li2CO3、C6H12O6和FePO4，生成物为LiFePO4、CO和H2O，根据化合价变化，C：＋4→＋2,0→＋2，Fe：＋3→＋2，则反应的化学方程式为6FePO4＋3Li2CO3＋C6H12O66LiFePO4＋9CO↑＋6H2O↑。

2．(1)Cu2＋＋CO＋H2O===Cu(OH)2↓＋CO2↑

(2)取最后一次洗涤液(或上层清液)，滴加BaCl2(或硝酸钡)溶液，无沉淀生成，说明已洗净。

(3)CuSO4、澄清石灰水

(4)B中无水硫酸铜变蓝，C中澄清石灰水不变浑浊

(5)C→A→B→D→E

(6)吸收空气中的水蒸气和CO2　结束时通入过量的空气可以将装置中滞留的水蒸气和CO2赶出。

(7)×100%

解析：(1)乙同学的观点，是考虑到了CO的水解，所以离子方程式为Cu2＋＋CO＋H2O===Cu(OH)2↓＋CO2↑

(2)洗涤干净的标准是不含有SO，故可以加入钡盐来检验，规范做法是取最后一次洗涤液(或上层清液)，滴加BaCl2(或硝酸钡)溶液，无沉淀生成，说明已洗净。

(3)该装置一是为了检验是否有水生成，另一是检验是否有CO2。若有水生成，说明是Cu(OH)2，若有CO2生成，说明是CuCO3。故B装置检验是否有水生成，采用无水硫酸铜，化学式为CuSO4，C装置是为了检验是否有二氧化碳生成，故是澄清石灰水。

(4)乙同学的观点是生成Cu(OH)2，故沉淀加热后会生成水，故B装置变蓝，C装置没明显变化。

(5)结合所给药品及实验仪器，在加热CuCO3、Cu(OH)2混合物的过程中，Cu(OH)2分解挥发出的水蒸气可用浓硫酸吸收，通过测量其质量，折算出物质的组成及含量，故实验装置的连接顺序为C→A→B→D→E

(6)为了排除空气中水蒸气和CO2的干扰，用装置C中碱石灰来净化吸收；实验开始时通入过量空气，可将装置内的水蒸气和CO2全部排除干净，而结束时通入过量空气的目的是可以将装置中滞留的水蒸气和CO2赶出，保证实验的准确性。

(7)由Cu(OH)2CuO＋H2O可知，Cu(OH)2的质量为g，沉淀中CuCO3的质量分数为×100%

3．(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：(1)过量SO2与NaOH反应生成NaHSO3。

(2)①根据题给已知，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。

②添加CaO，CaO起固硫作用，根据硫去除率的含义，700℃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。

(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．(1)Al2O3＋4(NH4)2SO42NH4Al(SO4)2＋6NH3↑＋3H2O↑

(2)Fe3＋、Al3＋、Mg2＋

(3)1.0×10－6

(4)硫酸　SiO2　CaSO4

(5)TiO2＋＋(x＋1)H2OTiO2·xH2O↓＋2H＋

(6)(NH4)2SO4

解析：结合题中信息对该流程进行如下梳理：

(1)结合图示及题给信息可知焙烧时Al2O3转化为NH4Al(SO4)2，尾气应为NH3，则Al2O3焙烧生成NH4Al(SO4)2的化学方程式为Al2O3＋4(NH4)2SO42NH4Al(SO4)2＋6NH3↑＋3H2O↑。(2)结合相关金属离子开始沉淀以及沉淀完全时的pH可知，加氨水调节pH至11.6的过程中，Fe3＋、Al3＋、Mg2＋依次沉淀。(3)根据Mg2＋沉淀完全时的pH＝11.1，可知溶液中c(OH－)＝10－2.9mol·L－1时，溶液中c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1，则Ksp[Mg(OH)2]＝1.0×10－5×(10－2.9)2＝1×10－10.8，母液①的pH＝11.6，即溶液中c(OH－)＝10－2.4mol·L－1，则此时溶液中c(Mg2＋)＝＝mol·L－1＝1×10－6mol·L－1。(4)由于常见的盐酸和硝酸均具有挥发性，且水浸渣需在160℃酸溶，因此最适宜的酸为硫酸。由于SiO2不溶于硫酸，焙烧过程中得到的CaSO4难溶于水，故酸溶渣的成分为SiO2、CaSO4。(5)酸溶后适当加热能促进TiO2＋水解生成TiO2·xH2O，反应的离子方程式为TiO2＋＋(x＋1)H2OTiO2·xH2O↓＋2H＋。(6)结合图示流程可知，母液①中含有氨水、硫酸铵，母液②中含有硫酸，二者混合后再吸收尾气NH3，经处理得到(NH4)2SO4。

5．(1)抑制Fe2＋水解

(2)(NH4)2Fe(SO4)2＋H2C2O4＋2H2O===FeC2O4·2H2O↓＋H2SO4＋(NH4)2SO4

(3)碳和铁　0.6

(4)①FeC2O4·2H2OFeC2O4＋2H2O　②Fe2O3

解析：(1)配制(NH4)2Fe(SO4)2溶液时，溶液中亚铁离子水解显酸性，加少量硫酸的目的是抑制其水解。

(2)硫酸亚铁铵溶液中加入草酸生成草酸亚铁沉淀、硫酸和硫酸铵，反应的化学方程式为：(NH4)2Fe(SO4)2＋H2C2O4＋2H2O===FeC2O4·2H2O↓＋H2SO4＋(NH4)2SO4。

(3)向盛有草酸亚铁晶体的试管中滴入几滴硫酸酸化的KMnO4溶液，振荡，发现溶液颜色逐渐变为棕黄色，并检测到CO2生成，说明草酸亚铁被氧化为铁离子、二氧化碳气体，说明铁元素和碳元素被氧化，根据离子方程式5FeC2O4＋3MnO＋24H＋===5Fe3＋＋3Mn2＋＋10CO2↑＋12H2O可知，消耗1molFeC2O4·2H2O，则参加反应的KMnO4为0.6mol；

(4)①通过剩余固体的质量可知，过程Ⅰ发生的反应是：草酸亚铁晶体受热失去结晶水，反应的化学方程式为：FeC2O4·2H2OFeC2O4＋2H2O；

②3.6g草酸亚铁晶体中的铁元素质量为：3.6g×＝1.12g，草酸亚铁晶体中的铁元素完全转化到氧化物中，氧化物中氧元素的质量为：1.60g－1.12g＝0.48g，铁元素和氧元素的物质的量之比为：2:3，铁的氧化物的化学式为Fe2O3。

6．(1)bd

(2)①碱石灰　②检验装置气密性　收集CO检验纯度

(3)取少量熔渣，加过量稀硫酸溶解，向溶液中加入几滴高锰酸钾溶液，若溶液紫色褪去，则证明熔渣中含有FeO

(4)3:2　(5)%　高

解析：(1)根据流程图可以知道X气体是二氧化硫，易溶于水，bd装置能防止倒吸，a装置导管未插入液面以下，且瓶口不应加塞，c中倒扣的漏斗伸入液面以下，不能起到防倒吸的作用。

(2)①粗铜与CO反应生成二氧化碳，剩余CO有毒，需做燃烧处理，在此之前利用装置B吸收二氧化碳，故B中应盛放碱石灰。②组装完仪器，应检验装置的气密性，因为CO点燃容易引起爆炸，故引燃前需验纯。

(3)若Fe2O3中含有FeO，利用稀酸(非氧化性)溶解后生成的亚铁离子具有还原性，而给出的试剂中KMnO4溶液具有强氧化性，亚铁离子可使KMnO4溶液褪色，则选择试剂为稀硫酸、KMnO4溶液，操作为取少量固体溶于稀硫酸，然后滴加KMnO4溶液，观察到溶液使KMnO4溶液褪色，则证明含有FeO。

(4)当硝酸根离子恰好反应时硫酸和硝酸的物质的量之比最佳，由离子方程式3Cu＋8H＋＋2NO===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O可以知道，反应中消耗2molNO，需要8molH＋，硝酸电离2molH＋，另外6mol氢离子由硫酸提供，则硫酸为3mol，所以硫酸和硝酸的物质的量之比为：3:2。

(5)根据方程式可以知道20.00mL溶液中n(CuSO4·H2O)＝n(EDTA)＝c×6×10－3mol；

所以m(CuSO4·5H2O)＝c×6×10－3mol×250g/mol＝1.5cg，

因此100mL溶液中CuSO4·5H2O的质量为：1.5c×5＝7.5cg，所以w＝×100%＝%，滴定管需要用所盛装溶液润洗，否则会稀释所装溶液的浓度，导致结果偏高。