主族金属铅及其化合物解析版.docx

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主族金属铅及其化合物解析版

系列二主族金属

专题4铅及其化合物

一、铅单质

（1）铅是密度很大、熔点很低的软金属，平常呈暗灰色，新切开的铅表面有金属光泽，这是因为Pb在常温时可以在空气中稳定存在，切开后与氧气和二氧化碳反应生成碱式碳酸铅保护膜：

2Pb+O2+CO2

Pb2（OH）2CO3。

（2）Pb与稀盐酸可以缓慢反应，但因生成难溶的PbCl2覆盖反应物而使反应终止：

Pb+2HCl=PbCl2↓+H2↑，由于此种特性，工厂或实验室常用它做耐酸反应器的衬里和制存或输送酸液的管道设备；加热条件下与浓盐酸反应生成氢气Pb+4HCl（浓）

H2[PbCl4]+H2↑；在氧气存在时可以溶于醋酸，生成弱电解质Pb（CH3COO）2：

2Pb+4CH3COOH+O2

2Pb（CH3COO）2+2H2O；铅还溶于稀硝酸中，生成易溶的Pb（NO3）2：

3Pb+8HNO3（稀）

3Pb（NO3）2+2NO↑+4H2O，由于Pb（NO3）2难溶于浓HNO3，故在配制Pb（NO3）2溶液时，应该用稀HNO3。

二、铅的氧化物

（1）PbO俗称“密陀僧”，难溶于水，两性偏碱，既能溶于酸又能溶于碱：

PbO+2HCl

PbCl2+H2O；

PbO+2NaOH+H2O

Na2[Pb（OH）4]

（2）Pb3O4，又名铅丹，可以认为是铅酸铅Pb2（Ⅱ）Pb（Ⅳ）O4，其组成可由下面的实验加以说明：

Pb3O4+4HNO3

2Pb（NO3）2+PbO2↓（棕黑）+2H2O

（3）PbO2是一种溶于水的两性氧化物，其酸性强于碱性；具有强氧化性，可与浓盐酸反应生氯气：

PbO2+4HCl

PbCl2+Cl2↑+2H2O；可以将Mn2+氧化为MnO4-，5PbO2+2Mn2++4H+

5Pb2++2MnO4-+2H2O

三、铅的其他化合物

（1）Pb（CH3COO）2有甜味，俗称“铅糖”，易溶于水，难离解，毒性大。

它是共价化合物，在溶液中以分子状态存在。

其试纸在实验室中常用于检验H2S气体：

Pb（CH3COO）2+H2S

PbS（黑色）+2CH3COOH

（2）四乙基铅是汽油抗震剂。

由于用四乙基铅作为汽油抗震剂，汽油燃烧后的废气中含有铅化合物会导致环境污染。

现已开发出不含鉛的抗震剂，含该种抗震剂的汽油称为无铅汽油。

【习题1】铅蓄电池是常见的二次电池，其原理图如图所示。

铅蓄电池的工作原理为：

Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O。

下列判断错误的是（）

A．铅蓄电池的结构中O2的作用可提高电池的工作效率

B．铅蓄电池放电时Pb电极的电极反应为：

Pb-2e-=Pb2+

C．电池工作时，H+移向PbO2板

D．实验室用铅蓄电池作电源，用惰性电极电解CuSO4溶液，当阴极析出2.4g铜时，铅蓄电池内消耗H2SO4物质的量至少是0.075mol

【答案】B

【解析】

A．铅蓄电池的结构中正极产生的O2，可以快速通过隔板通道传送到负极还原为水，同时能够抑制负极上氢气的产生，从而可以提高电池的工作效率，故A正确；

B．铅蓄电池中Pb电极为负极，放电时负极发生氧化反应，电极反应式为：

Pb-2e-+SO42-=PbSO4，故B错误；

C．铅蓄电池工作时为原电池，原电池中阳离子移向正极，因此H+移向PbO2板，故C正确；

D．实验室用铅蓄电池作电源，用惰性电极电解CuSO4溶液，当阴极析出2.4g铜，即

=0.0375mol时，转移电子0.0375mol×2=0.075mol，根据Pb+PbO2+2H2SO4═2PbSO4+2H2O，铅蓄电池内消耗H2SO4物质的量至少是0.075mol，故D正确；故选B。

【习题2】铅及其化合物可用于蓄电池、耐酸设备及X射线防护材料等。

回答下列问题：

（1）铅是碳的同族元素，比碳多4个电子层，铅在元素周期表的位置为，四氧化三铁可写成FeO·Fe2O3的形式，如果将Pb3O4也写成相对应的形式应为：

。

（2）PbO2与浓盐酸共热生成黄绿色气体，反应的化学方程式为：

。

PbO2可有PbO与次氯酸钠溶液反应制得，其反应的离子方程式为。

PbO2也可以通过石墨为电极，Pb（NO3）2和Cu（NO3）2的混合溶液为电解液电解制取。

阳极发生的电极反应式，阴极观察到的现象是；若电解液中不加入Cu（NO3）2，阴极发生的电极反应式，这样做的主要缺点是。

（3）PbO2在加热过程发生分解的失重曲线如图所示，已知失重曲线上的a点为样品失重4.0%（即

）的残留固体，若a点固体组成表示为PbO2或mPbO2·nPbO,计算x值和m：

n，。

【答案】

（1）第六周期ⅣA族2PbO·PbO2

（2）PbO2+4HCl（浓）

PbCl2+Cl2+2H2OPbO+ClO－=PbO2+Cl－Pb2++2H2O－2e－=PbO2↓+4H+石墨上包上铜镀层Pb2++2e-=Pb↓不能有效利用Pb2+

（3）1.42:

3

【解析】

（1）碳和铅是同一主族元素，都为第四主族，铅比碳多4个电子层，说明在第六周期，所以铅的位置为第六周期ⅣA族。

根据第四主族元素的化合价分析，铅有+2和+4价，所以将Pb3O4写成2PbO·PbO2。

（2）二氧化铅与浓盐酸反应生成黄绿色气体，说明产生了氯气，同时生成氯化铅和水，方程式为PbO2+4HCl（浓）

PbCl2+Cl2+2H2O。

氧化铅和次氯酸钠反应生成二氧化铅和氯化钠，离子方程式为：

PbO+ClO－=PbO2+Cl－。

Pb（NO3）2和Cu（NO3）2的混合溶液为电解液电解制取PbO2。

Pb2+发生氧化反应生成PbO2，所以阳极发生的电极反应式Pb2++2H2O－2e－=PbO2↓+4H+，阴极反应为

，所以观察到的现象是石墨上包上铜镀层；若电解液中不加入Cu（NO3）2，阴极发生的电极反应式Pb2++2e-=Pb↓，这样做的主要缺点是不能有效利用Pb2+生成PbO2。

（3）若a点固体组成表示PbOx，则根据

，（2-x）/2×32=239×4.0%x=1.4；若组成为mPbO2·nPbO，根据原子守恒，氧原子与铅原子根据铋为（2m+n）/（m+n）=1.4解m:

n=2:

3。

【习题3】硫酸铅，又名石灰浆，可用于铅蓄电池、纤维增重剂、涂料分析试剂。

工业上通常用自然界分布最广的方铅矿（主要成分为PbS）生产硫酸铅。

工艺流程如下：

已知：

①Ksp（PbSO4）=1.08×10-8，Ksp（PbCl2）=1.6×l0-5。

②PbCl2（s）+2C1-（aq）

PbCl42-（aq）△H>0

③Fe3+、Pb2+以氢氧化物形式开始沉淀时的PH值分别为1.9和7。

（1）流程中加入盐酸可以控制溶液的pH<1.9，主要目的是__________________________。

反应过程中可观察到淡黄色沉淀，则①对应的离子方程式为_____________________。

（2）②所得的滤液A蒸发浓缩后再用冰水浴的目的是_____（请用平衡移动原理解释）

（3）④中对应反应的平衡常数表达式________。

（4）上述流程中可循环利用的物质有_________________。

（5）炼铅和用铅都会使水体因重金属铅的含量增大而造成严重污染。

水溶液中铅的存在形态主要有Pb2+、Pb（OH）+、Pb（OH）2、Pb（OH）3-、Pb（OH）42-。

各形态的铅浓度分数x与溶液pH变化的关系如图所示：

①探究Pb2+的性质：

向含Pb2+的溶液中逐滴滴加NaOH，溶液变浑浊，继续滴加NaOH溶液又变澄清；pH≥13时，溶液中发生的主要反应的离子方程式为_________________.。

②除去溶液中的Pb2+：

科研小组用一种新型试剂可去除水中的痕量铅和其他杂质离子，

实验结果记录如下：

I．由表可知该试剂去除Pb2+的效果最好，请结合表中有关数据说明去除Pb2+比Fe3+效果好的理由是______________。

Ⅱ．若新型试剂（DH）在脱铅过程中主要发生的反应为：

2DH（s）+Pb2+⇌D2Pb（s）+2H+，则脱铅时最合适的pH约为________。

【答案】

（1）防止Fe3+的水解形成沉淀

；

（2）用冰水浴的目的是用冰水浴使反应

逆向移动，使PbCl4-不断转化为PbCl2晶体而析出。

（3）

；

（4）盐酸和氯化铁；

（5）

I加入试剂Pb2+比Fe3+效果好的理由是加入试剂，二价铅离子浓度转化率为（0.1-0.004）/0.1*100%=96%，三价铁离子浓度转化率为（0.12-0.04）/0.12*100%=67%,所以去除二价铅离子比三价铁离子的效果好。

II6。

【解析】

（1）流程中加入盐酸可以控制溶液的pH<1.9，主要目的是防止Fe3+的水解形成沉淀。

根据题中反应物为PbS、FeCl3，生成物中有S单质，结合题中所给的PbCl2难溶于水，可得方程式为：

；

（2）②所得的滤液A蒸发浓缩后再用冰水浴的目的是用冰水浴使反应

逆向移动，使PbCl4-不断转化为PbCl2晶体而析出。

（3）难溶物不要出现在表达式中，该对应的平衡常数表达式为：

；

（4）上述流程中可循环利用的物质有盐酸和氯化铁；

（5）①根据图可知该离子方程式为：

，Pb2+比Fe3+效果好的理由是加入试剂，二价铅离子浓度转化率为（0.1-0.004）/0.1*100%=96%，三价铁离子浓度转化率为（0.12-0.04）/0.12*100%=67%,所以去除二价铅离子比三价铁离子的效果好。

由图像可知要使铅以Pb2+存在，溶液的pH值在6左右。

【习题4】用氟硼酸（HBF4，属于强酸）代替硫酸作

铅蓄电池的电解质溶液，可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良，反应方程式为Pb+PbO2+4HBF4

2Pb（BF4）2+2H2O，其中Pb（BF4）2为可溶于水的强电解质，用该铅蓄电池分别电解AgNO3溶液和Na2SO3溶液，装置如下图，a、b、c、d电极材料均为石墨，通电时a电极质量增加。

（1）d电极为该装置的___________极，工作时，该池内d电极上无气体产生，写出该池内电解反应的离子方程式：

_____________________。

（2）该铅蓄电池放电时X极附近pH_____________（填“增大”、“减小”或“不变”），正极的电极反应式为______________________。

（3）铅蓄电池充电时，Y电极与电源的_________（填“正极”或“负极”）相连。

（4）另取一常规铅蓄电池（浓硫酸作电解质溶液）与该铅蓄电池同时放电，当电路中均通

过1mol电子时，分别取下Y电极称重，两电极质量相差__________g。

【答案】

（1）阳，SO32－＋H2O

SO42－＋H2↑；

（2）增大，PbO2＋4H＋＋2e－=Pb2＋＋2H2O；

（3）负极；

（4）151.5。

【解析】

（1）a极质量增加，发生电极反应式为Ag＋e－=Ag，a极为阴极，即Y为负极，X为正极，d为阳极，d电极上无气体放出，SO32－中S具有还原性，其d极反应式为SO32－－2e－＋H2O=SO42－＋2H＋，c极为阴极，反应式为2H＋＋2e－=H2↑,因此总电极反应式为：

SO32－＋H2O

SO42－＋H2↑；

（2）X为正极，反应式为PbO2＋4H＋＋2e－=Pb2＋＋2H2O，消耗H＋，pH增大；

（3）充电时，电池的正极接电源的正极，电池的负极接电源的负极，Y接电源的负极；

（4）常规蓄电池负极反应式为Pb－2e－＋SO42－=PbSO4，新型蓄电池负极反应式为：

Pb－2e－=Pb2＋，因此通过1mol电子，两极质量差（0.5×96＋0.5×207）g=151.5g。

6．某小组利用含铅废料（主要含PbO、PbSO4和PbO2）制备化工产品（PbSO4·3PbO·H2O）的工艺流程如图：

已知：

Ksp（PbSO4）＝1.82×10－8，Ksp（PbCO3）＝1.46×10－13。

请回答下列问题：

（1）“转化”时，加入Na2CO3的目的是将PbSO4转化成PbCO3，其转化原理是_________________________________。

PbO2转化为PbCO3的离子方程式为_________________________________。

（2）该流程中可以循环利用的物质是_________________，若其中残留过多SO42－，循环利用可能出现的问题是__________________________________。

（3）一定浓度的硝酸溶解PbCO3和PbO时，“酸溶”时，金属离子浸出率与温度的关系如图所示。

当温度为40℃，金属离子浸出率最高，其主要原因是________________________________。

（4）取一定量的含铅废料经上述“转化”，假设含铅废料中的PbO2和PbSO4全部转化成PbCO3，且PbO未发生反应，“酸溶”时共收集到5.6LCO2（标准状况），“沉铅”时得到121.2gPbSO4。

①原含铅废料中含PbO的物质的量为__________________________。

②“合成”时，加入NaOH的质量为__________________________。

（5）工业上，电解Pb（NO3）2溶液制备活性电极材料PbO2，其阳极的电极反应式为_________________________________。

【答案】

（1）溶解度较大的物质容易转化成溶解度较小的物质PbO2+H2O+SO32-+CO32-=PbCO3+SO42-+2OH-

（2）HNO3PbSO4覆盖在PbCO3表面阻止反应

（3）温度低于40℃时反应速率慢；温度高于40℃时硝酸挥发和分解速率加快

（4）①0.15mol②24g

（5）Pb2++2H2O-2e-=PbO2+4H+

【解析】

（1）由溶度积可知，PbSO4的溶解度大于PbCO3，所以加入碳酸钠将PbSO4转化为PbCO3。

加入Na2SO3后PbO2中铅元素化合价降低，Na2SO3还原PbO2，S元素化合价升高，根据电子守恒，得到离子方程式PbO2+H2O+SO32-+CO32-=PbCO3+SO42-+2OH-。

（2）“沉铅”时，发生反应Pb（NO3）2+H2SO4=PbSO4+2HNO3，硝酸在“酸溶”过程中做为反应物，故可循环利用的物质为HNO3。

稀硝酸中残留过多SO42－，会生成难溶的硫酸铅，PbSO4覆盖在PbCO3表面，阻止碳酸铅与稀硝酸反应。

（3）由图象可知，当温度低于40℃时反应速率慢，金属离子浸出率低；温度高于40℃时硝酸挥发和分解速率加快，导致反应物浓度降低，反应减慢，金属离子浸出率降低。

（4）①“沉铅”时得到121.2gPbSO4，n（PbSO4）=

，“酸溶”时共收集到5.6LCO2（标准状况），n（CO2）=0.25mol。

“转化”过程中PbSO4和PbO2转化为PbCO3，酸溶”时PbCO3与稀硝酸反应生成CO2，故原料中PbSO4和PbO2共0.25mol，而PbO、PbSO4和PbO2的总物质的量为0.4mol，故原含铅废料中含PbO的物质的量为0.15mol。

②加入氢氧化钠溶液发生反应PbSO4+2NaOH=PbO+Na2SO4+H2O，由产品组成PbSO4·3PbO·H2O可知，0.4molPbSO4中有0.3mol转化为0.3molPbO，根据化学方程式可知，加入NaOH的物质的量为0.6mol，质量为0.6mol×40g∙mol-1=24g。

（5）阳极上发生氧化反应，水提供氧元素生成的PbO2和HNO3，故阳极的电极反应式为Pb2++2H2O-2e-=PbO2+4H+。

7．铅精矿可用于冶炼金属铅，其主要成分为PbS。

I．火法炼铅将铅精矿在空气中焙烧，生成PbO和SO2。

（1）用铅精矿火法炼铅的反应的化学方程式为_____________________________。

（2）火法炼铅的废气中含低浓度SO2，可将废气通入过量氨水中进行处理，反应的离子方程式为：

______________。

II．湿法炼铅在制备金属铅的同时，还可制得硫磺，相对于火法炼铅更为环保。

湿法炼铅的工艺流程如下：

已知：

①不同温度下PbCl2的溶解度如下表所示。

温度/℃

20

40

60

80

100

溶解度/g

1.00

1.42

1.94

2.88

3.20

②PbCl2为能溶于水的弱电解质，在Cl—浓度较大的溶液中，存在平衡：

PbCl2（aq）+2Cl—（aq）

PbCl42—（aq）

（3）浸取液中FeCl3的作用是________________________。

（4）结合信息判断，操作a为________________________，以利于PbCl2的析出。

（5）将溶液3和滤液2分别置于如图所示电解装置的两个极室中，可制取金属铅并使浸取液中的FeCl3再生。

①溶液3应置于______（填“阴极室”或“阳极室”）中。

②简述滤液2电解后再生为FeCl3的可能原理：

____________________________________。

③若铅精矿的质量为ag，铅浸出率为b，当电解池中通过cmol电子时，金属铅全部析出，铅精矿中PbS的质量分数的计算式为_______________________________。

【答案】

（1）2PbS+3O2

2PbO+SO2

（2）2NH3•H2O+SO2

2NH4++SO32-+H2O

（3）使Pb元素从难溶固体PbS转化成溶液中的PbCl42-，S元素转化成单质硫成为滤渣

（4）加水稀释并冷却

（5）①阴极室②阳极的电极反应为：

Fe2+－e－

Fe3+，使c（Fe3+）升高，同时Cl-通过阴离子交换膜向阳极移动，使FeCl3再生③

×100%

【解析】

（1）根据题意，铅精矿在空气中焙烧，与氧气反应生成PbO和SO2，反应方程式为2PbS+3O2

2PbO+SO2

（2）二氧化硫是酸性气体，氨水是弱碱，用过量氨水吸收二氧化硫，得到亚硫酸铵和水，反应的离子方程式为：

2NH3•H2O+SO2═2NH4++SO32-+H2O；

（3）浸取液中FeCl3增加了氯离子浓度，溶液中存在平衡：

PbCl2（aq）+2Cl-（aq）⇌PbCl42-（aq），当氯离子浓度增大时，平衡正向移动，让铅以PbCl42-的形式存在溶液中，另外三价铁离子具有氧化性，S2-离子具有还原性，能够发生氧化还原反应，使硫元素转化成单质硫

（4）根据表格数据，PbCl2为能溶于水的弱电解质，存在平衡：

PbCl2（aq）+2Cl-（aq）⇌PbCl42-（aq），加水稀释，氯离子的浓度降低，平衡逆向移动，冷却后，温度降低，PbCl2的溶解度降低，从而析出PbCl2固体；

（5）①溶液3是含PbCl42-的溶液，要制得单质铅，元素铅的化合价降低，需要得到电子，发生还原反应，根据电解池的工作原理，阴极得到电子，故溶液3应放入阴极室；

②阳极室是滤液2，滤液2是氯化亚铁溶液，亚铁离子在阳极失去电子，转化成三价铁离子，溶液中的阴离子氯离子通过阴离子交换膜，到达阳极室，与三价铁离子结合，得到氯化铁溶液，达到再生的目的；

③由Pb2+→Pb，1molPb2+，转移2mol电子，当电解池中通过c mol电子时，金属铅全部析出，所以就有

cmol的Pb析出，铅浸出率为b，故原液中有铅离子物质的量为

mol，故PbS的物质的量也为

mol，m（PbS）=M（PbS）×n=（207+32）×

=

g，铅精矿的质量为a g，铅精矿中PbS的质量分数=

×100%=

×100%

10．三盐基硫酸铅（3PbO·PbSO4·H2O，其相对分子质量为990）简称“三盐”，不溶于水及有机溶剂。

主要适用于不透明的聚氯乙烯硬质管、注射成型制品，也可用于人造革等软质制品。

以铅泥（主要成分为PbO、Pb及PbSO4等）为原料制备三盐的工艺流程如下图所示。

已知：

KSP（PbSO4）=1.82×10-8，KSP（PbCO3）=1.46×10-13

请回答下列问题：

（1）写出步骤①“转化”的离子方程式__________________。

（2）根据如图溶解度曲线（g/100g水），由滤液I得到Na2SO4固体的操作为：

将“滤液1”_________、_________、用乙醇洗涤后干燥。

（3）步骤③“酸溶”，为提高酸溶速率，可采取的措施是________________（任意写出两条）

（4）“滤液2”中可循环利用的溶质为_______（填化学式）。

若步骤④“沉铅”后的滤液中铅离子沉淀完全，则此时c（SO42-）=________mol·L-1。

（5）步骤⑥“合成”三盐的化学方程式为____________________。

（6）若消耗100.0t铅泥，最终得到纯净干燥的三盐49.5t，假设铅泥中的铅元素有50％转化为三盐，则铅泥中铅元素的质量分数为___________。

【答案】

（1）CO32-+PbSO4=SO42-+PbCO3

（2）升温结晶趁热过滤

（3）适当升温（或适当增大硝酸浓度或减小沉淀粒径等）

（4）HNO31.82×10-3

（5）4PbSO4+6NaOH

3PbO•PbSO4•H2O+3Na2SO4+2H2O

（6）82.8%

【解析】

（1）步骤①向铅泥中加Na2CO3溶液，由表可知PbCO3的溶解度小于PbSO4的溶解度，Na2CO3（aq）+PbSO4（s）=Na2SO4（aq）+PbCO3（s），则可将PbSO4转化成PbCO3，“转化”的离子方程式为CO32-+PbSO4=SO42-+PbCO3；

（2）根据溶解度曲线（g/100g水）可知，在较低温度下硫酸钠结晶析出的是Na2SO4·H2O，在较高温度下析出无水硫酸钠晶体，且在较高温度下，硫酸钠的溶解度随温度升高而减小，硫酸钠在乙醇中的溶解度较小，故由滤液I得到Na2SO4固体的操作为：

将“滤液1”升温（蒸发）结晶、趁热过滤、用乙醇洗涤后干燥；

（3）酸溶时，为提高酸溶速率，可采取的措施是适当升温（或适当增大硝酸浓度或减小沉淀粒径等）；

（4）Pb、PbO和PbCO3在硝酸的作用下转化成Pb（NO3）2，Pb（NO3）2中加稀H2SO4转化成PbSO4和硝酸，HNO3可循环利用，若步骤④沉铅后铅离子沉淀完全，则滤液中c（Pb2+）<1×10-5mol/L，已知Ksp（PbSO4）=1.82×10-8，则此时c（SO42-）=

mol/L=1.82×10-3mol/L；

（5）步骤⑥合成三盐的化学方程式为：

4PbSO4+6NaOH

3PbO•PbSO4•H2O+3Na2SO4+2H2O；

（6）若得到纯净干燥的三盐49.5t，则其中铅元素的质量为：

×49.5t=41.4t，设铅泥中铅元素的质量分数为w，则100.0t铅泥中铅元素为100×w，铅泥中的铅元素有50%转化为三盐，有100×w×50%=41.4，解得w=82.8%。

11．以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等）为原料，制备粗铅，实现铅的再生利用。

其工作流程如下图所示：

已知：

Ksp（PbSO4）=1.6×10-5,Ksp（PbCO3）=3.3×10-14。

（1）过程Ⅰ中，在Fe2+催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是