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  • 2021-07-08 发布

2020年高考化学一轮复习金属及其化合物的性质和转化学案

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高考热考题型攻关(四) 化学工艺流程—考查金属及其化合物 的性质和转化 化学工艺流程题是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出 来,一般具有如下环节: 原料 → 对原料的 预处理 → 核心化 学反应 → 产品的分 离提纯 → 目标 产物 它以现代工业生产为基础,与化工生产成本、产品提纯、环境保 护等相融合,并根据生产流程中有关的化学知识步步设问。考查物质 的制备、检验、分离提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用, 要求考生依据流程图分析原理,紧扣信息,抓住关键、准确答题。这 类试题具有较强的实用性和综合性,是新课标全国卷命题的热考题 型。 1.(2018·全国卷Ⅰ)磷酸亚铁锂(LiFePO4)电池是新能源汽车的动 力电池之一。采用湿法冶金工艺回收废旧磷酸亚铁锂电池正极片中的 金属,其流程如下: 下列叙述错误的是( ) A.合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用 B.从“正极片”中可回收的金属元素有 Al、Fe、Li C.“沉淀”反应的金属离子为 Fe3+ D.上述流程中可用硫酸钠代替碳酸钠 解析:合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用, LiFePO4 中含有 Li 和 Fe 元素,正极片碱溶所得滤液中含有 Al 元素, A、B 项正确;Fe2+能被 HNO3 氧化为 Fe3+,Fe3+遇到碱液后沉淀, 而另一种金属离子(Li+)遇到 Na2CO3 后沉淀,C 项正确;Li2SO4 易溶 于水,用 Na2SO4 代替 Na2CO3,不能形成含 Li 沉淀,D 项错误。 答案:D 2.(2018·全国卷Ⅱ)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。 一种以闪锌矿(ZnS,含有 SiO2 和少量 FeS、CdS、PbS 杂质)为原料 制备金属锌的流程如图所示: 相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀的 pH 范 围如下: 金属离子 Fe3+ Fe2+ Zn2+ Cd2+ 开始沉淀的 pH 1.5 6.3 6.2 7.4 沉淀完全的 pH 2.8 8.3 8.2 9.4 回答下列问题: (1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为____________________ _____________________________________________________。 (2)滤渣 1 的主要成分除 SiO2 外还有________;氧化除杂工序中 ZnO 的作用是_____________________________________________, 若不通入氧气,其后果是__________________________________ _____________________________________________________。 (3)溶液中的 Cd2+可用锌粉除去,还原除杂工序中反应的离子方 程式为____________________________________________________ ______________________________________________________。 (4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时,阴极的电极反应式为 _____________________________________________________; 沉积锌后的电解液可返回________工序继续使用。 解析:(1)闪锌矿的主要成分是 ZnS,所以高温焙烧过程中主要 反应的化学方程式为 2ZnS+3O2===== 焙烧 2ZnO+2SO2。 (2)闪锌矿焙烧后的主要成分变为 ZnO,还存在少量 SiO2、Fe2O3、 CdO 、 PbO , 加 稀 H2SO4 后 , 发 生 一 系 列 化 学 反 应 : ZnO + H2SO4===ZnSO4+H2O、Fe2O3+3H2SO4===Fe2(SO4)3+3H2O、CdO +H2SO4===CdSO4+H2O、PbO+H2SO4===PbSO4+H2O。其中 SiO2 和 PbSO4 不溶于水,以沉淀的形式沉降下来,所以滤渣 1 的主要成 分是 SiO2 和 PbSO4。氧化除杂工序中 ZnO 的作用是调节溶液的 pH 在 2.8~6.2,使 Fe3+完全转变为 Fe(OH)3 沉淀;通入 O2 的目的是使 溶液中的 Fe2+转化为 Fe3+,有利于除杂,若不通入 O2,无法除去溶 液中的杂质 Fe2+。 (3)溶液中的 Cd2+与加入的 Zn 粉反应而被除去,反应的离子方 程式为 Zn+Cd2+===Zn2++Cd。 (4)电解 ZnSO4 溶液制备单质 Zn 时,阴极放电的是 Zn2+,电极 反应式是 Zn2++2e-===Zn,阳极放电的是 OH-,电极反应是 4OH- -4e-===2H2O+O2↑。沉积锌后的溶液应该是 ZnSO4 和稀 H2SO4, 可返回到溶浸工序循环使用。 答案:(1)2ZnS+3O2===== 焙烧 2ZnO+2SO2 (2)PbSO4 调节溶液的 pH 无法除去杂质 Fe2+ (3)Cd2++Zn===Cd+Zn2+ (4)Zn2++2e-===Zn 溶浸 1.认识原料预处理的方法 (1)溶解:通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等。 术语 释义 水浸 与水接触反应或溶解 浸出 固体加水(酸)溶解得到离子 酸浸 在酸溶液中反应,使可溶性金属离子进入溶液,不溶 物通过过滤除去的溶解过程 浸出率 固体溶解后,离子在溶液中的含量的多少(更多转化) (2)灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些物质能溶解,并使一 些杂质高温下氧化、分解。 2.明确常用的提纯方法 (1)水溶法:除去可溶性杂质。 (2)酸溶法:除去碱性杂质。 (3)碱溶法:除去酸性杂质。 (4)氧化剂或还原剂法:除去还原性或氧化性杂质。 (5)加热灼烧法:除去受热易分解或易挥发的杂质。 (6)调节溶液的 pH 法:如除去酸性溶液中的 Fe3+等。 3.把握常用的分离方法 (1)过滤:分离难溶物和易溶物,根据特殊需要采用趁热过滤或 者抽滤等方法。 (2)萃取和分液:利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提 取分离物质,如用 CCl4 或苯萃取溴水中的溴。 (3)蒸发结晶:提取溶解度随温度变化不大的溶质,如 NaCl。 (4)冷却结晶:提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶 质或结晶水合物,如 KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O 等。 (5)蒸馏或分馏:分离沸点不同且互溶的液体混合物,如分离乙 醇或甘油。 (6)冷却法:利用气体液化的特点分离气体,如合成氨工业采用 冷却法分离平衡混合气体中的氨气。 1.某同学在实验室利用氢氧化钠、盐酸分离铁粉和铝粉混合物, 转化关系如下图所示,下列说法不正确的是( ) A.x 为 NaOH 溶液,y 为盐酸 B.a→b 发生的反应为:AlO- 2 +H++H2O===Al(OH)3↓ C.按照本流程,x 和 y 调换后也能达到实验目的 D.b、c 既能与强酸又能与强碱反应 解析:根据转化关系,加入试剂 x,得到溶液和 Fe,利用 Al 能 与 NaOH 反应,Fe 不与 NaOH 反应,因此试剂 x 为 NaOH,即 a 的 主要成分是 NaAlO2,根据转化关系,试剂 y 应为盐酸,发生 AlO- 2 + H++H2O===Al(OH)3↓,然后氢氧化铝受热分解成 Al2O3,最后通过 电解的方法得到金属 Al。根据上述分析,x 为 NaOH 溶液,y 为盐酸, 故 A 说法正确;a→b 的反应是 AlO- 2 +H++H2O===Al(OH)3↓,故 B 说法正确;如果 x 和 y 互换,a 为 FeCl2 和 AlCl3,加入 NaOH,则 得到 Fe(OH)2 和 Al(OH)3,按照流程无法得到金属铝,故 C 说法错误; b 和 c 分别是 Al(OH)3 和 Al2O3,都属于两性化合物,既能与强酸反 应,又能与强碱反应,故 D 说法正确。 答案:C 2 . 以 硫 铁 矿 ( 主 要 成 分 为 FeS2) 为 原 料 制 备 氯 化 铁 晶 体 (FeCl3·6H2O)的工艺流程如图所示,下列说法不正确的是( ) A.酸溶过程使用的酸也可以是硝酸,且过量 B.为了防止污染,焙烧过程中产生的 SO2 要回收利用 C.通入氯气的目的是氧化 Fe2+ D.由 FeCl3·6H2O 制取无水 FeCl3 需要在氯化氢的气流中加热 解析:若用过量硝酸酸溶,会引入 NO—3 ,A 错误;SO2 是一种 污染气体,必须回收利用,B 正确;通入 Cl2 的目的是将 Fe2+全部氧 化为 Fe3+,C 正确;为了防止 Fe3+水解,由 FeCl3·6H2O 制取无水 FeCl3 时需要在 HCl 的气流中加热,D 正确。 答案:A 3.(2019·西安模拟)实验室模拟工业上以铝土矿(含 Al2O3、Fe2O3、 SiO2)为原料制铵明矾 NH4Al(SO4)2 晶体的工艺流程如图所示,下列 说法错误的是( ) A.固体 a 的化学式为 SiO2 B.固体 b 的化学式为 Fe(OH)3 C.Ⅲ中通入足量 CO2 发生反应的离子方程式为 2AlO—2 +CO2 +3H2O===CO2—3 +2Al(OH)3↓ D.Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ都要用到的分离方法是过滤 解析:SiO2 不溶于盐酸,A 正确;红褐色固体 b 是 Fe(OH)3,B 正确;Ⅲ中通入足量 CO2 气体发生反应的离子方程式为 AlO—2 +CO2 +2H2O===HCO—3 +Al(OH)3↓,C 错误;Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ都要用到 的分离方法是过滤,D 正确。 答案:C 4.从某含有 FeCl2、FeCl3、CuCl2 的工业废液中回收铜并制备 氯化铁晶体的流程如下。下列说法正确的是( ) A.试剂 a 是铁、试剂 b 是稀硫酸 B.操作Ⅰ、操作Ⅱ、操作Ⅲ所用仪器相同 C.试剂 c 是氯气,相应的反应为 2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl- D.用酸性 KMnO4 溶液可检验溶液 W 中是否含有 Fe2+ 解析:由最终要得到的氯化铁及流程图知 b 是盐酸,A 错误;操 作Ⅰ和操作Ⅱ是过滤,操作Ⅲ为蒸发结晶,所用仪器有差异,B 错误; 滤液 Z 和 X 中均含有氯化亚铁,因此 c 为氯气,C 正确;高锰酸钾 能氧化氯离子而褪色,因此不能用于检验是否含有亚铁离子,D 错误。 答案:C 5.(2018·江苏卷)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-焙烧后矿粉中硫元素总质量 焙烧前矿粉中硫元素总质量 ×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)=______________________________________。 解析:(1)NaOH 吸收过量 SO2 的离子方程式为 SO2 +OH - ===HSO- 3 。 (2)①由已知多数金属硫酸盐的分解温度都高于 600 ℃,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杂质 FeS2。②700 ℃焙烧时,FeS2 中的硫元素生成 SO2,添加 CaO 后, SO2 会与 CaO、O2 反应生成 CaSO4 而留在矿粉中。 (3)用 NaOH 溶液碱浸后,Al2O3、SiO2 溶解,转化为 NaAlO2 和 Na2SiO3,通入过量 CO2 后,NaAlO2 与 CO2 反应转化为 Al(OH)3。 (4)Fe2O3 与 FeS2 在缺氧条件下焙烧生成 Fe3O4 和 SO2,发生反应 的化学方程式配平为 16Fe2O3+FeS2===== 焙烧 11Fe3O4+2SO2↑,可得关 系式 FeS2~16Fe2O3,则理论上完全反应消耗的 n(FeS2)∶n(Fe2O3) =1∶16。 答案:(1)SO2+OH-===HSO- 3 (2)①FeS2 ②硫元素转化为 CaSO4 而留在矿粉中 (3)NaAlO2 Al(OH)3 (4)1∶16 6.(2019·烟台模拟)某工厂酸性废液中含有 Fe3+、Al3+、Fe2+、 SO2- 4 ,以该废液为原料制备 Fe2O3 的工艺流程如下(部分操作和条件 略): 已知:①NH4HCO3 在热水中会分解。 ②常温下,溶液中不同金属离子生成氢氧化物沉淀时的 pH 见下 表: 金属离子(0.1 mol·L-l) Fe3+ Fe2+ Al3+ 开始沉淀时的 pH 2.4 7.6 3.4 完全沉淀时的 pH 3.7 9.6 4.8 回答下列问题: (1)写出“还原”步骤中反应的离子方程式:__________________ _____________________________________________________。 (2)试剂 X 可选用________(任写一种,填化学式),“滤渣”的主 要成分是______________。 (3)加入碳酸氢铵后过滤,发现滤液仍然浑浊,可能的原因是 _______________________________________________________ ______________________________________________________, 用 90 ℃热水洗涤 FeCO3 沉淀的目的是____________________ _____________________________________________________。 (4)若在实验室中灼烧 FeCO3 应在____________(填仪器名称)中 进行,“灼烧氧化”发生的化学方程式为____________________ _____________________________________________________。 (5)若工业上灼烧氧化 174.0 吨 FeCO3 得到 117.6 吨产品,则该产 品中 Fe2O3 的纯度为__________(设产品中杂质只有 FeO,保留一位 小数)。 解析:(1)“还原”是铁粉将 Fe3+转化为 Fe2+,同时与废液中的 H+反应生成 H2,反应的离子方程式为 Fe+2H+===Fe2++H2↑和 Fe +2Fe3+===3Fe2+。 (2)试剂 X 用于调节溶液的 pH,使 Al3+完全沉淀,选用 NH3·H2O, 不引入其他杂质,同时生成的碳碳氢铵便于除去;“滤渣”的主要成 分是过量的铁粉和生成的 Al(OH)3 沉淀。 (3)过滤的过程中若把玻璃棒靠在三层滤纸上时不小心把滤纸戳 破了,此时过滤出的滤液是混浊的;过滤时滤液液面高于滤纸的边缘 时,滤液就会不经过滤纸而直接从滤纸和漏斗之间的空隙中流过,也 会导致过滤出的滤液是混浊的;NH4HCO3 在热水中会分解,用 90 ℃ 热水洗涤 FeCO3 沉淀,目的是洗去表面吸附的离子同时促进碳酸氢 铵的分解。 (4)实验室中灼烧固体通常在坩埚中进行,灼烧时 FeCO3 与氧气 在 高 温 下 发 生 氧 化 还 原 反 应 , 化 学 方 程 式 为 4FeCO3 + O2===== 高温 2Fe2O3+4CO2。 (5)假设 Fe2O3 物质的量为 x mol,FeO 的物质的量为 y mol,那 么满足:160x+72y=117.6×106、2x+y=174×106 116 ,解得 x=6×105 mol,所以产物中 Fe2O3 的质量分数为6×105×160 117.6×106 ×100%=81.6%。 答案:(1)Fe+2H+===Fe2++H2↑、 Fe+2Fe3+===3Fe2+ (2)NH3·H2O Fe 和 Al(OH)3 (3)滤纸破损(或过滤时滤液超过滤纸上缘等) 洗去表面吸附的 离子同时促进碳酸氢铵的分解 (4)坩埚 4FeCO3+O2===== 高温 2Fe2O3+4CO2 (5)81.6%