高考化学大二轮复习热点大题专攻练三化工生产与工艺流程.docx
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高考化学大二轮复习热点大题专攻练三化工生产与工艺流程
(三)化工生产与工艺流程
1.工业制硫酸的尾气中含有一定量SO2,处理尾气的手段除了氨吸收法以外还有以下几种方法。
(一)工业实际吸收过程中,第Ⅰ步常采用浓苛性钠溶液吸收其中的SO2,然后向生成溶液中加入熟石灰,充分反应后将生成产物分离后再经氧化后制得产品A。
Na2SO3
产品A
(1)产品A是______________(填化学式)。
(2)有人提出将第Ⅰ步中的浓苛性钠溶液换成同温度下饱和Ca(OH)2溶液直接制得产品CaSO3,你认为是否可行?
________(填“可以”“不可以”或“不确定”),原因是
________________________________________________________________________。
(二)制备MnSO4·H2O:
SO2还原MnO2矿制备MnSO4·H2O,过程如下:
已知25℃时部分物质的溶度积常数如表:
物质
Mn(OH)2
Fe(OH)3
Cu(OH)2
MnS
FeS
CuS
溶度
积
2.1×
10-13
4.0×
10-38
2.2×
10-23
1.0×
10-11
6.3×
10-18
6.3×
10-38
(3)还原时,若尾气中SO2含量为4.48%,除去标准状况下1m3尾气至少需要含锰质量分数为55%的MnO2矿粉________g。
(4)除铁时加入碳酸钙,发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)试剂A最好是________(填化学式)。
(6)操作Ⅰ的名称为______。
MnSO4·H2O在1150℃高温下易分解,产物是Mn3O4、含硫化合物、水,在该条件下硫酸锰晶体分解反应的化学方程式是________________________________________________________________________。
解析:
(1)流程发生的反应是二氧化硫和氢氧化钠反应生成亚硫酸钠和水,亚硫酸钠和氢氧化钙反应生成亚硫酸钙,亚硫酸钙被氧气氧化为硫酸钙,化学式为CaSO4。
(2)将第Ⅰ步中的浓苛性钠溶液换成同温度下饱和Ca(OH)2溶液直接制得产品CaSO3,由于氢氧化钙溶解度小对二氧化硫吸收不完全,所以不可以。
(3)1m3尾气含有SO2:
1000L×4.48%÷22.4L·mol-1=2mol;需要含锰质量分数为55%的MnO2矿粉xg
MnO2 + SO2 + H2O===MnSO4·H2O
87g1mol
xg×55%×
2mol
x=200。
(4)除铁发生的反应是利用铁离子在pH=6.5时全部沉淀除去,三价铁离子水解生成氢氧化铁和氢离子,加入碳酸钙会和氢离子反应,使pH升高到6.5,反应的离子方程式为2Fe3++3H2O+3CaCO3===2Fe(OH)3↓+3CO2↑+3Ca2+。
(5)MnS比CuS易溶,利用沉淀转化可用MnS除去Cu2+。
(6)操作Ⅰ是依据流程得到硫酸锰溶液中的溶质晶体,采取的措施是蒸发浓缩、冷却结晶;MnSO4·H2O在1150℃高温下易分解,产物是Mn3O4、含硫化合物、水,依据电子守恒可知,3MnSO4·H2O~Mn3O4~2e-;3MnSO4·H2O~SO2~6e-;所以生成的硫的化合物是二氧化硫和三氧化硫,依据原子守恒配平化学方程式为3MnSO4·H2O
Mn3O4+SO2↑+2SO3↑+3H2O。
答案:
(1)CaSO4
(2)不可以 Ca(OH)2在水中溶解度较小,c(OH-)太低,吸收效率不高 (3)200
(4)2Fe3++3H2O+3CaCO3===2Fe(OH)3↓+3CO2↑+3Ca2+[或Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+ 2H++CaCO3===Ca2++CO2↑+H2O] (5)MnS (6)蒸发浓缩,冷却结晶 3MnSO4·H2O
Mn3O4+SO2↑+2SO3↑+3H2O
2.三氧化二镍(Ni2O3)是一种灰黑色无气味有光泽的块状物,易碎成细粉末,常用于制造高能电池。
工业上以金属镍废料生产NiCl2,继而生产Ni2O3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(开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0mol·L-1计算)。
氢氧化物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Al(OH)3
Ni(OH)2
开始沉淀
的pH
1.8
5.8
3.0
7.1
沉淀完全
的pH
3.2
8.8
5.0
9.2
(1)为了提高金属镍废料浸出的速率,在“酸浸”时可采取的措施有①适当升高温度;②搅拌;③____________等。
(2)酸浸后的酸性溶液中含有Ni2+、Cl-,另含有少量Fe2+、Fe3+、Al3+等。
沉镍前需加Na2CO3控制溶液pH范围为____________________。
(3)从滤液A中可回收利用的主要物质是Na2CO3和________。
(4)“氧化”生成Ni2O3的离子方程式为________________________________________________________________________。
(5)工业上用镍为阳极,电解0.05~0.1mol·L-1NiCl2溶液与一定量NH4Cl组成的混合溶液,可得到高纯度、球形的超细镍粉。
当其他条件一定时,NH4Cl的浓度对阴极电流效率及镍的成粉率的影响如图所示,则NH4Cl的浓度最好控制为________________________________________________________________________。
(6)如果在“沉镍”步骤把Na2CO3改为加草酸,则可以制得草酸镍晶体(NiC2O4·2H2O)。
草酸镍晶体在热空气中干燥脱水后在高温下煅烧三小时,可以制得Ni2O3,同时获得混合气体。
草酸镍晶体受热分解的化学方程式为______________________________________________。
解析:
(1)为了提高金属镍废料浸出的速率,还可以增大盐酸的浓度(或将镍废料研成粉末等)。
(2)沉镍前要将铝离子和铁离子沉淀完全,而镍离子不能产生沉淀,所以溶液的pH控制在5.0~7.1。
(3)滤液A中还主要含有氯化钠,可回收利用。
(4)Cl由+1价降低到-1价,即反应生成NaCl,而Ni由+2价升高到+3价,生成Ni2O3,反应离子方程式为2Ni2++ClO-+4OH-===Ni2O3↓+Cl-+2H2O。
(5)根据图示可知,NH4Cl的浓度为10g·L-1时,镍的成粉率最高,所以NH4Cl的浓度最好控制为10g·L-1。
(6)草酸镍(NiC2O4·2H2O)在热空气中干燥脱水后生成NiC2O4,NiC2O4再发生氧化还原反应(Ni由+2价升高到+3价,则C由+3价降低到+2价,题中要求生成混合气体,则另一气体为CO2)生成Ni2O3、CO、CO2,再利用化合价升降相等,Ni:
升高2×(3-2),C:
升高1×(4-3),C:
降低:
3×(3-2),配平方程式为2NiC2O4·2H2O
Ni2O3+3CO↑+CO2↑+4H2O。
答案:
(1)增大盐酸的浓度(或将镍废料研成粉末等)
(2)5.0~7.1 (3)NaCl (4)2Ni2++ClO-+4OH-===Ni2O3↓+Cl-+2H2O (5)10g·L-1
(6)2NiC2O4·2H2O
Ni2O3+3CO↑+CO2↑+4H2O
3.电石广泛应用于生产PVC、维尼纶等,电石与水反应所得残渣——电石渣,主要含Ca(OH)2、CaCO3及少量其他杂质。
某工业电石渣的几种回收利用流程如下:
几种物质在水中的溶解度曲线如图所示。
回答下列问题:
(1)常温氯化
①反应的化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②为提高Cl2转化为Ca(ClO)2的转化率,可行的措施有________(填序号)。
A.加热升高温度
B.适当减缓通入Cl2的速率
C.充分搅拌浆料
D.加水使Ca(OH)2完全溶解
③电石渣中的有害杂质CN-与ClO-反应转化为两种无害的气体,每转化1molCN-至少需要消耗氧化剂ClO-________mol。
(2)75℃氯化
①生成氯酸钙中氯的化合价为________,氯化完成后过滤,滤渣的主要成分为__________________(填化学式)。
②氯酸钙能与KCl反应转化为氯酸钾的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)有机反应
首先生成氯代乙醇,其结构简式为________________________________________________________________________,
氯代乙醇再与Ca(OH)2反应生产环氧乙烷。
总反应的化学方程式是________________________________________________________________________。
解析:
(1)①常温氯化,Cl2与Ca(OH)2发生反应得到漂白液。
②加热升高温度,Ca(OH)2的溶解度降低,同时促进ClO-水解及HClO分解,则Cl2的转化率也降低,A项不符合题意;适当减缓通入Cl2的速率,等效于增大Ca(OH)2的浓度,Cl2的转化率增大,B项符合题意;充分搅拌浆料,能使反应完全,Cl2的转化率增大,C项符合题意;加水使Ca(OH)2完全溶解,不能改变Cl2的转化率,D项不符合题意。
③根据题意,CN-与ClO-反应转化为CO2和N2,CN-中C、N分别为+2价、-3价,1molCN-失去5mol电子,而ClO-转化为Cl-,1molClO-得到2mol电子,根据得失电子守恒,则每转化1molCN-至少需要消耗氧化剂ClO-2.5mol。
(2)①Ca(ClO3)2中Cl的化合价为+5。
氯化完成后过滤,得到的滤渣的主要成分为CaCO3、Ca(OH)2。
②根据题图知,75℃时氯酸钾的溶解度比氯酸钙、氯化钾、氯化钙都小得多,故氯酸钙与KCl能发生反应:
Ca(ClO3)2+2KCl
CaCl2+2KClO3↓。
(3)氯代乙醇为氯原子取代乙醇分子中乙基上的氢原子,根据“氯代乙醇再与Ca(OH)2反应生产环氧乙烷”,则氯原子应取代甲基上的氢原子,故氯代乙醇的结构简式为ClCH2CH2OH,总反应的化学方程式为CH2===CH2+Cl2+Ca(OH)2―→H2COCH2+CaCl2+H2O。
答案:
(1)①2Cl2+2Ca(OH)2===CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O ②BC ③2.5
(2)①+5 CaCO3、Ca(OH)2 ②75℃,氯酸钾的溶解度比氯酸钙、氯化钾、氯化钙都小得多
(3)ClCH2CH2OH CH2===CH2+Cl2+Ca(OH)2―→H2COCH2+CaCl2+H2O
4.锂被誉为“金属味精”,以LiCoO2为正极材料的锂离子电池已被广泛用作便携式电源。
工业上常以β锂辉矿(主要成分为LiAlSi2O6,还含有FeO、MgO、CaO等杂质)为原料来制取金属锂。
其中一种工艺流程如下:
①部分金属氢氧化物开始沉淀和完全沉淀时的pH:
氢氧化物
Fe(OH)3
Al(OH)3
Mg(OH)2
开始沉淀时的pH
1.9
3.4
9.1
完全沉淀时的pH
3.2
4.7
11.1
②Li2CO3在不同温度下的溶解度如下表:
温度/℃
0
10
20
50
75
100
Li2CO3的
溶解度/g
1.539
1.406
1.329
1.181
0.866
0.728
请回答下列问题:
(1)用氧化物形式表示LiAlSi2O6的组成________________________________________________________________________。
(2)反应Ⅱ加入碳酸钙的作用是________________________________________________________________________。
(3)写出反应Ⅲ中生成沉淀A的离子方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)洗涤所得Li2CO3沉淀要使用________(填“热水”或“冷水”),理由是________________________________________________________________________。
(5)流程中两次使用了Na2CO3溶液,第一次浓度小,第二次浓度大的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)该工艺中,电解熔融氯化锂生产锂时,阳极产生的氯气中会混有少量氧气,原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
(1)硅酸盐既可以用盐的形式表示,也可以用氧化物的形式表示。
在用氧化物表示时,先写活泼金属的氧化物,再写较活泼金属的氧化物,最后写非金属的氧化物,并且要符合质量守恒定律。
LiAlSi2O6可表示为Li2O·Al2O3·4SiO2。
(2)反应Ⅱ加入碳酸钙是为了除去反应Ⅰ中过量的H2SO4;控制pH,使Fe3+、Al3+完全沉淀。
(3)根据框图中物质之间的转化关系可知,反应Ⅲ中生成沉淀A的离子方程式为Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓、Ca2++CO
===CaCO3↓。
(4)因为Li2CO3的溶解度随温度的升高而降低,所以洗涤Li2CO3沉淀要使用热水,这样可减少Li2CO3的溶解损耗。
(5)若第一次碳酸钠溶液浓度过大,则部分Li+会形成沉淀,而第二次碳酸钠溶液浓度大,则有利于Li2CO3沉淀的生成。
(6)因为在加热蒸干LiCl溶液时,有少量LiCl发生水解反应生成LiOH,LiOH受热分解生成Li2O,Li2O在电解时产生O2。
因此电解LiCl时,阳极产生的氯气中常含有少量的O2。
答案:
(1)Li2O·Al2O3·4SiO2
(2)除去反应Ⅰ中过量的H2SO4;控制pH,使Fe3+、Al3+完全沉淀
(3)Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓、Ca2++CO
===CaCO3↓
(4)热水 Li2CO3在较高温度下溶解度小,用热水洗涤可减少Li2CO3的损耗
(5)第一次浓度过大会使部分Li+沉淀,第二次浓度大则有利于Li2CO3沉淀的生成
(6)加热蒸干LiCl溶液时,有少量LiCl水解生成LiOH,LiOH受热分解生成Li2O,电解时产生O2
5.Mn(H2PO4)2·2H2O是一种白色晶体,易溶于水,常用于机械设备的磷化处理。
以软锰矿(主要成分为MnO2,还含有少量的Fe2O3、FeO和Al2O3)为原料制备Mn(H2PO4)2·2H2O的流程如下:
(1)软锰矿要先制成矿浆的目的是________________________________________________________________________,
葡萄糖(C6H12O6)与MnO2反应时,产物为MnSO4、CO2和H2O,该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为
________________________________________________________________________。
(2)用H2O2溶液“氧化”时发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)已知几种金属离子的氢氧化物开始沉淀和完全沉淀的pH如表,“调pH并过滤”时,应调整的pH范围为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________,
滤渣1的主要成分为_________________________________________________(填化学式)。
金属离子
开始沉淀的pH
完全沉淀的pH
Fe3+
1.8
3.2
Al3+
3.0
5.0
Fe2+
5.8
8.8
Mn2+
7.8
9.8
(4)加入磷酸后发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)某工厂用上述流程制备Mn(H2PO4)2·2H2O,已知软锰矿中MnO2的含量为87%,整个流程中锰元素的损耗率为9%,则1吨该软锰矿可制得Mn(H2PO4)2·2H2O________t。
解析:
(1)软锰矿要先制成矿浆,可以增大反应物接触面积,加快反应速率,提高原料利用率;葡萄糖(C6H12O6)与MnO2反应时,产物为MnSO4、CO2和H2O,反应中MnO2中Mn的化合价由+4价变成+2价,是氧化剂,化合价变化2,葡萄糖是还原剂,其中C元素的化合价由0价变成+4价,化合价变化4×6=24,根据化合价升降守恒,氧化剂与还原剂的物质的量之比为12∶1。
(2)用H2O2溶液氧化溶液中的亚铁离子,反应的离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O。
(3)根据几种金属离子的氢氧化物开始沉淀和完全沉淀的pH,“调pH并过滤”时,调整pH的目的是沉淀铁离子和铝离子,但不能使锰离子沉淀,pH范围为5.0~7.8,滤渣1的主要成分为Fe(OH)3和Al(OH)3。
(4)碳酸钠与硫酸锰反应生成碳酸锰,加入磷酸使碳酸锰生成Mn(H2PO4)2,反应的化学方程式为MnCO3+2H3PO4===Mn(H2PO4)2+CO2↑+H2O。
(5)根据MnO2 ~ Mn(H2PO4)2·2H2O
87285
1t×87%×(1-9%) m[Mn(H2PO4)2·2H2O]
则
=
,
解得m[Mn(H2PO4)2·2H2O]≈2.59t。
答案:
(1)增大反应物接触面积,加快反应速率,提高原料利用率 12∶1
(2)2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O
(3)5.0~7.8 Fe(OH)3和Al(OH)3 (4)MnCO3+2H3PO4===Mn(H2PO4)2+CO2↑+H2O
(5)2.59(或2.5935)
6.工业以软锰矿(主要成分是MnO2,含有SiO2、Fe2O3、CuS等少量杂质)为主要原料制备高性能的磁性材料碳酸锰(MnCO3)。
其工业流程如下:
(1)滤渣Ⅰ中除了SiO2以外,还有一种淡黄色物质,该物质是由MnO2、CuS与硫酸共热时产生的,请写出该反应的离子方程式________________________________________________________________________。
(2)滤渣Ⅱ中含Cu(OH)2和________。
(已知:
Ksp[Fe(OH)3]<Ksp[Cu(OH)2])
(3)已知:
25℃、101kPa时,Mn(s)+O2(g)===MnO2(s) ΔH=-520kJ·mol-1 ①
S(s)+O2(g)===SO2(g) ΔH=-297kJ·mol-1 ②
Mn(s)+S(s)+2O2(g)===MnSO4(s) ΔH=-1065kJ·mol-1 ③
SO2与MnO2反应生成无水MnSO4的热化学方程式为
________________________________________________________________________。
(4)“浸锰”反应中往往有副产物MnS2O6生成,温度对“浸锰”反应的影响如图所示,为减少MnS2O6的生成,“浸锰”的适宜温度是________;向过滤Ⅱ所得的滤液中加入NH4HCO3溶液时温度不宜太高的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)在废水处理领域常用H2S将Mn2+转化为MnS除去,向含有0.020mol·L-1Mn2+的废水中通入一定量的H2S气体,调节溶液的pH=a,当HS-的浓度为1.0×10-4mol·L-1时,Mn2+开始沉淀,则a=______________。
[已知:
Ksp(MnS)=1.4×10-15;H2S的电离常数K1=1.3×10-7,K2=7.0×10-15]
解析:
(1)根据题意,MnO2、CuS、H2SO4反应生成MnSO4、CuSO4、S、H2O,根据得失电子守恒、原子守恒及电荷守恒配平离子方程式。
(2)根据题给流程图及已知信息,滤渣Ⅱ中含Cu(OH)2和Fe(OH)3。
(3)根据盖斯定律,由③-(①+②)即可得到SO2与MnO2反应生成无水MnSO4的热化学方程式:
MnO2(s)+SO2(g)===MnSO4(s) ΔH=-248kJ·mol-1。
(4)由题图可知,温度在90℃时,锰
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