高考苏教版化学一轮专题突破训练1 化学工艺流程试题的突破方略.docx
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高考苏教版化学一轮专题突破训练1化学工艺流程试题的突破方略
专题突破训练
(一)
化学工艺流程试题的突破方略
(建议用时:
35分钟)
(对应学生用书第260页)
1.(2019·石家庄模拟)磷酸铁锂电池被广泛应用于各种电动汽车,其正极是通过将磷酸铁锂(LiFePO4)、导电剂、黏结剂和乙炔黑等按比例混合,再涂于铝箔上制成。
一种从废旧磷酸铁锂电池正极材料中回收某些金属资源的工艺流程如下:
已知:
①常温下,Ksp[Fe(OH)3]=10-39 ②Li2CO3的溶解度,0℃为
1.54g;100℃为0.72g
请回答:
(1)向滤液1中加入硫酸,可得到Al(OH)3,该反应的离子方程式为
_____________________________________________________________。
(2)“酸浸”时,有磷酸生成,则磷酸铁锂在该过程中发生反应的化学方程式为______________________________________________________________;
所加H2SO4和H2O2也可用HNO3代替,但缺点为______________________
______________________________________________________________。
(3)“沉铁”时,溶液的pH与金属元素的沉淀百分率(w)的关系如表:
pH
3.5
5
6.5
8
10
12
w(Fe)/%
66.5
79.2
88.5
97.2
97.4
98.1
w(Li)/%
0.9
1.3
1.9
2.4
4.5
8.0
则该过程应调节pH=________,其原因为_________________________;假设该过程在常温下进行,则此时溶液中c(Fe3+)=________。
(4)“沉锂”时,所得Li2CO3应选择________(选填“冷水”或“热水”)进行洗涤,判断Li2CO3已洗涤干净的操作和现象为_________________________
__________________________________________________________________。
解析:
(1)由题意及题图可知,滤液1中含有AlO
,加入硫酸得到Al(OH)3的离子反应为AlO
+H++H2O===Al(OH)3↓。
(2)反应物为LiFePO4、H2O2、
H2SO4,生成物为Li2SO4、Fe2(SO4)3、H3PO4、H2O,发生的反应为2LiFePO4+H2O2+4H2SO4===Li2SO4+Fe2(SO4)3+2H3PO4+2H2O。
加入硝酸代替硫酸和H2O2,硝酸会被还原为氮的氧化物,氮的氧化物是大气污染物,污染环境。
(3)由题表可知,pH=8时,Fe元素的沉淀百分率较大且Li元素的损失较小,故应调节pH=8;Ksp[Fe(OH)3]=c(Fe3+)·c3(OH-)=10-39,则c(Fe3+)=10-21mol·L-1。
(4)由不同温度下碳酸锂的溶解度数据可知,应选择热水进行洗涤;取最后一次洗涤液少许,向其中滴加盐酸酸化的氯化钡溶液,若无沉淀生成,则证明已洗涤干净。
答案:
(1)AlO
+H++H2O===Al(OH)3↓
(2)2LiFePO4+H2O2+4H2SO4===Li2SO4+Fe2(SO4)3+2H3PO4+2H2O 产生氮氧化物气体,污染环境(合理即可) (3)8 Fe元素的沉淀百分率较大且Li元素的损失较小 10-21mol·L-1 (4)热水 取最后一次洗涤液少许,向其中滴加盐酸酸化的氯化钡溶液,无沉淀生成,则证明已洗涤干净
2.(2019·广州综合测试)高氯酸铵(NH4ClO4)可用作火箭推进剂等。
制备NH4ClO4的工艺流程如下:
饱和食盐水
NaClO3
NaClO4
(1)电解NaClO3溶液时,ClO
在_______极发生反应,其电极反应式为_____
__________________________________________________________________。
(2)“除杂”有两种方案。
①方案1:
加入盐酸和H2O2溶液,NaClO3转化为ClO2,化学方程式为
______________________________________________________________。
方案2:
加入氨水和FeCl2·4H2O,NaClO3转化为Cl-,离子方程式为
_____________________________________________________________,
如果FeCl2·4H2O过量会出现黑色磁性沉淀,该沉淀可能是________(填化学式)。
②比较氧化性:
ClO
________ClO
(填“>”或“<”)。
③两种方案相比,方案1的优点是__________________________________
(答一条即可)。
(3)“反应”时用NaClO4和NH4Cl在90℃制备NH4ClO4。
如果用浓盐酸和液氨代替NH4Cl,则无需加热,原因是__________________________________。
(4)该流程中可循环利用的物质是________(填化学式)。
解析:
(1)电解NaClO3溶液时,ClO
转化为ClO
,在阳极发生氧化反应:
ClO
+H2O-2e-===ClO
+2H+。
(2)①加入盐酸和H2O2溶液,NaClO3转化为ClO2,Cl的化合价降低,则H2O2转化为O2,NaClO3
ClO2、H2O2
O2,由得失电子守恒可知NaClO3、H2O2的化学计量数分别为2、1,再结合原子守恒配平化学方程式。
加入氨水和FeCl2·4H2O,NaClO3转化为Cl-,Cl的化合价降低,则FeCl2在碱性条件下转化为Fe(OH)3,NaClO3
Cl-、FeCl2
Fe(OH)3,由得失电子守恒知NaClO3、FeCl2的化学计量数分别为1、6,再结合电荷守恒和原子守恒配平离子方程式。
黑色磁性沉淀为Fe3O4。
②根据除杂的两种方案,NaClO3可将H2O2、Fe2+氧化,而NaClO4不发生反应,可知氧化性:
ClO
>ClO
。
③两种方案相比,方案1操作步骤简单,而方案2需要进行过滤操作。
(3)如果用浓盐酸和液氨代替NH4Cl,则无需加热,是因为浓盐酸和液氨的反应为中和反应,为放热反应。
(4)除杂时有NaCl生成,结晶后分离出母液得到氯化钠溶液,可以循环使用。
答案:
(1)阳 ClO
+H2O-2e-===ClO
+2H+
(2)①2NaClO3+2HCl+H2O2===2ClO2↑+2NaCl+2H2O+O2↑ 6Fe2++ClO
+3H2O+12NH3·H2O===6Fe(OH)3↓+Cl-+12NH
Fe3O4 ②> ③操作步骤简单(或过量的H2O2易除去等合理答案)
(3)浓盐酸和液氨的反应为放热反应 (4)NaCl
3.(2016·全国卷Ⅲ,T26节选)过氧化钙微溶于水,溶于酸,可用作分析试剂、医用防腐剂、消毒剂。
以下是一种制备过氧化钙的实验方法。
回答下列问题:
过氧化钙的制备
CaCO3
滤液
过滤,白色结晶
(1)步骤①的具体操作为逐滴加入稀盐酸,至溶液中尚存有少量固体,此时溶液呈________性(填“酸”、“碱”或“中”)。
将溶液煮沸,趁热过滤。
将溶液煮沸的作用是________________。
(2)步骤②中反应的化学方程式为___________________________________
__________________________________________________________________,
该反应需要在冰浴下进行,原因是________________________________。
(3)将过滤得到的白色结晶依次使用蒸馏水、乙醇洗涤,使用乙醇洗涤的目的是______________________________________________________________。
(4)制备过氧化钙的另一种方法是:
将石灰石煅烧后,直接加入双氧水反应,过滤后可得到过氧化钙产品。
该工艺方法的优点是_________________,
产品的缺点是________。
解析:
(1)步骤①中逐滴加入稀盐酸,至溶液中尚存有少量固体,该固体为CaCO3,溶液中含有CaCl2,由于溶解了生成的CO2,溶液呈弱酸性。
将溶液煮沸,可排出溶解的CO2,防止与后续加入的氨水及生成的CaO2反应。
(2)滤液中含有CaCl2,加入氨水和双氧水在冰浴条件下反应,经过滤得到白色晶体(CaO2),结合元素守恒推知步骤②中反应还生成NH4Cl和H2O,化学方程式为CaCl2+2NH3·H2O+H2O2+6H2O===CaO2·8H2O↓+2NH4Cl或CaCl2+2NH3·H2O+H2O2===CaO2↓+2NH4Cl+2H2O。
H2O2不稳定,受热易分解生成H2O和O2,故该反应在冰浴条件下进行,其目的是防止H2O2受热分解。
(3)过氧化钙微溶于水,能溶于酸,白色结晶(CaO2)可依次使用蒸馏水、乙醇洗涤,使用乙醇洗涤的目的是去除结晶表面水分。
(4)将石灰石煅烧后,直接加入双氧水反应,过滤后可得到过氧化钙产品。
与第一种方法相比,其优点是工艺简单、操作方便;产品的缺点是纯度较低。
答案:
(1)酸 除去溶液中的CO2
(2)CaCl2+2NH3·H2O+H2O2+6H2O===CaO2·8H2O↓+2NH4Cl或CaCl2+2NH3·H2O+H2O2===CaO2↓+2NH4Cl+2H2O 温度过高时双氧水易分解 (3)去除结晶表面水分 (4)工艺简单、操作方便 纯度较低
4.某工厂对工业污泥中的铬元素回收与再利用的工艺如图(已知硫酸浸取液中的金属离子主要是Cr3+,其次是少量的Fe2+、Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+):
部分阳离子常温下以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如表所示:
阳离子
Fe3+
Fe2+
Mg2+
Al3+
Cr3+
开始沉淀时的pH
1.9
7
—
—
—
沉淀完全时的pH
3.2
9
11.1
8
9(>9溶解)
(1)实验室用98%(密度为1.84g·cm-3)的浓硫酸配制200mL4.8mol·L-1的硫酸溶液,配制时需要量取98%的浓硫酸的体积为____________mL(保留小数点后一位小数),所用的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒、量筒外,还需____________。
(2)过滤操作时,需要对沉淀进行洗涤,洗涤沉淀的方法是_____________
______________________________________________________________。
(3)加入H2O2的作用一方面是氧化+3价Cr使之转变成+6价Cr(CrO
或
Cr2O
),以便于与杂质离子分离;另一方面是_________________________。
(用离子方程式表示)
(4)调节溶液的pH=8除去的杂质离子是________。
(5)钠离子交换树脂的原理为Mn++nNaR===MRn+nNa+,被交换的杂质离子是________。
(6)通SO2气体时,还原过程发生以下反应(填写缺项物质并配平):
______Na2Cr2O7+________SO2+________________===________
Cr(OH)(H2O)5SO4+________Na2SO4。
解析:
(1)由于实验室中没有200mL的容量瓶,故配制200mL4.8mol·L-1的硫酸溶液时需要用250mL的容量瓶,根据题中数据可求出浓硫酸的物质的量浓度为
mol·L-1=18.4mol·L-1,设配制该硫酸溶液时需要量取的浓硫酸的体积为V,则18.4mol·L-1×V=4.8mol·L-1×250mL,解得V≈65.2mL。
(3)加入H2O2不仅能氧化Cr3+,还能将Fe2+氧化成Fe3+:
2Fe2++H2O2+
2H+===2Fe3++2H2O。
(4)根据表格中数据可知当调节溶液的pH=8时,Al3+和Fe3+均完全转化成沉淀除去。
(5)根据硫酸浸取液中含有Cr3+、Fe2+、Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+及题给流程图可知,被交换的杂质离子应为Ca2+和Mg2+。
(6)根据得失电子守恒和原子守恒可配平该反应的化学方程式。
答案:
(1)65.2 250mL容量瓶、胶头滴管
(2)沿玻璃棒向漏斗中注入蒸馏水,至刚好浸没沉淀物,等蒸馏水自然流尽后,再重复操作2~3次
(3)2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O
(4)Fe3+、Al3+
(5)Ca2+、Mg2+
(6)1 3 11 H2O 2 1
5.(2019·武汉模拟)高纯硝酸锶[Sr(NO3)2]可用于制造信号灯,光学玻璃等。
工业级硝酸锶含硝酸钙、硝酸钡等杂质,提纯流程如下:
已知:
①“滤渣1”的成分为Ba(NO3)2、Sr(NO3)2;
②铬酸(H2CrO4)为弱酸。
(1)“酸浸”不能采用高温的原因是_______________________________,
“滤液1”的主要溶质是________。
(2)相对于水洗,用浓硝酸洗涤的优点是____________________________
_________________________________________________________________。
(3)“滤液2”中过量的H2CrO4被N2H4还原为Cr3+,同时放出无污染的气体,写出发生反应的离子方程式:
_____________________________________
__________________________________________________________________。
(4)已知Cr(OH)3类似氢氧化铝,还原后溶液的pH不能大于8的原因是(结合离子方程式说明理由)_________________________________________________
__________________________________________________________________。
(5)为了测定“滤渣2”中BaCrO4的含量,进行以下实验:
mg“滤渣2”
溶液
滴定终点时消耗VmLNa2S2O3溶液
(已知:
I2+2S2O
===2I-+S4O
)
①“滤渣2”中BaCrO4(摩尔质量为Mg·mol-1)的质量分数为________(用代数式表示)。
②若加入的HI溶液过量太多,测定结果会________(选填“偏高”“偏低”或“无影响”)。
解析:
(1)“酸浸”不能采用高温的原因是避免HNO3挥发和分解,减少环境污染。
工业级硝酸锶含硝酸钙、硝酸钡等杂质,浓硝酸“酸浸”后得到的“滤渣1”为Ba(NO3)2、Sr(NO3)2,则“滤液1”的主要溶质是Ca(NO3)2。
(2)根据同离子效应,相对于水洗,用浓硝酸洗涤的优点是减少硝酸锶(或“产品”)溶解损失。
(3)“滤液2”中过量的H2CrO4被N2H4还原为Cr3+,同时放出无污染的氮气,配平离子方程式为4H2CrO4+3N2H4+12H+===4Cr3++3N2↑+16H2O。
(4)已知Cr(OH)3类似氢氧化铝,还原后溶液的pH不能大于8的原因是避免Cr(OH)3在碱性溶液中发生反应:
Cr(OH)3+OH-===CrO
+2H2O而溶解。
(5)①酸性条件下BaCrO4与HI反应的离子方程式为2BaCrO4+6I-+16H+===2Cr3++3I2+8H2O+2Ba2+,结合反应I2+2S2O
===2I-+S4O
,设“滤渣2”中BaCrO4的质量分数为w,则有:
2BaCrO4~3I2~6S2O
2Mg6mol
mg×wcV×10-3mol
则w=
×100%=
×100%。
②若加入的HI溶液过量太多,部分HI被空气氧化,使测定结果偏高。
答案:
(1)避免HNO3挥发和分解,减少环境污染
Ca(NO3)2
(2)减少硝酸锶(或“产品”)溶解损失
(3)4H2CrO4+3N2H4+12H+===4Cr3++3N2↑+16H2O (4)避免Cr(OH)3在碱性溶液中发生反应:
Cr(OH)3+OH-===CrO
+2H2O而溶解
(5)①
×100% ②偏高
6.铜镉渣主要含锌、铜、铁、镉(Cd)、钴(Co)等单质。
湿法炼锌产生的铜镉渣用于生产金属镉的工艺流程如下:
下表列出了相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(金属离子的起始浓度为0.1mol·L-1)
氢氧化物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Cd(OH)2
开始沉淀的pH
1.5
6.5
7.2
沉淀完全的pH
3.3
9.9
9.5
(1)酸浸时粉碎铜镉渣的目的是__________________________________。
(2)操作Ⅰ产生的滤渣Ⅰ主要成分为________(填化学式)。
(3)①操作Ⅲ中先加入适量H2O2,发生反应的离子方程式为___________。
②再加入ZnO控制反应液的pH,pH范围为________,判断依据是_________________________________________________________________。
③若加入的H2O2不足,加入ZnO后所得的电解液中会含有Fe元素。
请设计实验方案加以鉴别_________________________________________
__________________________________________________________________。
(4)处理含镉废水常加入碳酸钙实现沉淀转化,该沉淀转化的反应方程式为_________________________________________________________________。
除去工业废水中的Cd2+时,若反应达到平衡后溶液中c(Ca2+)=
0.1mol·L-1,则溶液中c(Cd2+)=________mol·L-1。
[已知:
25℃,Ksp(CdCO3)=5.6×10-12,Ksp(CaCO3)=2.8×10-9]
解析:
(1)酸浸时粉碎铜镉渣能增大其与稀硫酸的接触面积,加快反应速率,提高原料的浸出率。
(2)铜镉渣中所含的五种单质中只有Cu不溶于稀硫酸,故所得滤渣Ⅰ的主要成分是Cu。
(3)①操作Ⅱ所得溶液中含Fe2+,结合操作Ⅲ中生成Fe(OH)3可知,在酸性条件下Fe2+被H2O2氧化成Fe3+,反应的离子方程式为
2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O。
②加入ZnO调整溶液的pH,需使Fe3+沉淀完全,且保证Cd2+不沉淀,故控制溶液的pH范围是3.3≤pH<7.2。
③若加入的H2O2不足,则溶液中有Fe2+和Fe3+,Fe3+完全沉淀后,待电解溶液中还含有
Fe2+,可向待电解溶液中依次加入H2O2溶液和KSCN溶液,若出现红色,可证明待电解溶液中含有Fe2+;也可以向待电解溶液中加入K3[Fe(CN)6]溶液,若出现蓝色沉淀,也可证明待电解溶液中含有Fe2+。
(4)根据题意可知,含镉废水中的Cd2+与CaCO3反应生成CdCO3和Ca2+,该沉淀转化的反应方程式为Cd2+(aq)+CaCO3(s)
CdCO3(s)+Ca2+(aq)。
该反应的平衡常数K=
=
,则
=
,解得c(Cd2+)=2.0×10-4mol·L-1。
答案:
(1)增大其与酸的接触面积,加快反应速率,提高原料的浸出率
(2)Cu (3)①2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O ②3.3≤pH<7.2 根据表格中的信息可知在3.3≤pH<7.2时,能确保Fe3+沉淀完全,而Cd2+不会沉淀 ③取少量待电解溶液于试管中,向其中滴加H2O2后再滴入KSCN溶液,若溶液变红(或向其中滴加K3[Fe(CN)6]溶液,产生蓝色沉淀),则待电解溶液中含有Fe元素(其他合理答案也可) (4)CaCO3(s)+Cd2+(aq)
CdCO3(s)+Ca2+(aq) 2.0×10-4
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