工业流程与实验.docx

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工业流程与实验

工业流程与实验3

1．（16分）钛合金是航天航空工业的重要材料。

由钛铁矿（主要成分是TiO2和Fe的氧化物）制备TiO2等产品的一种工艺流程示意如下：

已知：

①TiO2＋易水解，只能存在于强酸性溶液中

②TiCl4的熔点－25.0℃，沸点136.4℃；SiCl4的熔点－68.8℃，沸点57.6℃

回答下列问题：

（1）写出钛铁矿酸浸时，主要成分TiO2反应的离子方程式

加入铁屑的作用是。

（2）操作Ⅱ包含的具体操作方法有。

（3）向“富含TiO2＋溶液”中加入Na2CO3粉末得到固体TiO2·nH2O，请用恰当的原理和化学用语解释其原因，废液中溶质的主要成分是（填化学式）。

（4）用金红石（主要含TiO2）为原料，采用亨特（Hunter）法生产钛的流程如下：

写出沸腾氯化炉中发生反应的化学方程式，制得的TiCl4液体中常含有少量SiCl4杂质，可采用方法除去。

（5）TiO2直接电解法生产金属钛是一种较先进的方法，电解

质为某种可以传导O2-离子的熔融盐，原理如右图所示，则其

阴极电极反应为：

，电解过程中阳极电极上会有气体生成，该气体可能含有。

2.（16分）高纯碳酸锰广泛应用于电子工业，是制造高性能磁性材料的主要原料。

新工艺采用工业冶铜后的废气SO2进行湿法浸取软锰矿（主要含MnO2，同时含有少量SiO2、Fe2O3、Al2O3）来制备。

（已知亚硫酸酸性强于碳酸）

①将过量的SO2气体通入软锰矿浆中进行“浸锰”操作，并控制温度加热反应；

②向浸锰结束后的滤液中加入MnO2、同时通入空气，再用Na2CO3溶液调节pH为3.7后过滤分离；

③调节滤液pH值为6.5～7.2，然后加入NH4HCO3，有浅红色的沉淀生成，过滤洗涤干燥后就可以得到高纯碳酸锰。

工业流程图如下：

已知生成氢氧化物的pH如下表：

物质

Fe（OH）3

Fe（OH）2

Mn（OH）2

开始沉淀pH

2.7

7.6

8.3

完全沉淀pH

3.7

9.6

9.8

请根据题中有关信息回答问题：

（1）“浸锰”后所得混合液中主要存在的金属阳离子有                    。

（2）由图可知，副反应MnSO4+SO2

 MnS2O6的△H       0（填＞、＜或＝），为减少MnS2O6的生成，“浸锰”的适宜温度是                                  。

（3）步骤②中加入MnO2和通入空气的作用                                   。

（4）③中控制温度为60~70℃，温度不宜太高的原因是                         。

（5）与传统的电解法制MnCO3工艺相比较，新工艺的优点是            

（写两点）。

6．（11分）

I．在体积恒定的密闭容器中，充入2molCO2和5molH2，一定条件下发生反应：

CO2（g）+3H2（g）

CH3OH（g）+H2O（g）△H=-49.0kJ/mol。

测得CO2和CH3OH（g）的浓度随时间变化如图所示：

（1）从反应开始到第10min，H2的转化率为，在该条件下，反应的平衡常数K=，如果在某一时刻保持温度不变，只改变浓度，使c（CO2）=1.00mol/L，c（H2）=0.40mol/L，c（CH3OH）=c（H2O）=0.80mol/L，则平衡（选填序号）。

a．向正反应方向移动b．向逆反应方向移动

c．不移动d．无法确定平衡移动方向

（2）下列措施中能使n（CH3OH）/n（CO2）增大的是（选填序号）。

a．升高温度b．充入He（g），使体系压强增大

c．将H2O（g）从体系中分离d．再充入lmolCH3OH（g）

II．熔融碳酸盐燃料电池（MCFS），发明于1889年。

现有一个碳酸盐燃料电池，以一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物为电解质，操作温度为650℃，在此温度下以镍为催化剂，以煤气（CO、H2的体积比为1:

1）直接作燃料，其工作原理如图所示。

请回答下列问题：

（1）A电极的电极反应方程式为。

（2）常温下，用石墨作电极，以此电源电解一定量的CuSO4溶液。

当两极产生的气体体积相同时停止通电，若电解后溶液的体积为2L，溶液的pH=1（不考虑水解产生的H+），则阳极产生的气体的物质的量是。

4.工业生产纯碱的工艺流程示意图如下：

完成下列填空：

（1）沉淀剂A来源于石灰窑厂，写出A、B的化学式。

AB

（2）实验室提纯粗盐的实验操作依次为：

取样、、沉淀、、。

（3）工业生产纯碱工艺流程中，碳酸化时产生的现象。

碳酸化时没有析出碳酸钠晶体，其原因是。

（4）碳酸化后过滤，滤液D最主要的成分是（填写化学式），检验这一成分的阴离子的具体方法：

。

（5）向滤液D中通氨气，加入细小食盐颗粒，冷却析出副产品，通氨气的作用有　（填a、b、c字母）。

这样做使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了　 的循环，这就是有名的侯氏制碱法。

　a．增大NH4+的浓度，使NH4Cl更多地析出

　b．使NaHCO3更多地析出

　c．使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度

（6）产品纯碱中含有碳酸氢钠。

如果用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分数，纯碱中碳酸氢钠的质量分数可表示为：

（注明你的表达式中所用的有关符号的含义）

5、化学兴趣小组对某品牌牙膏中摩擦剂成分及其含量进行以下探究：

查得资料：

该牙膏摩擦剂由碳酸钙、氢氧化铝组成；牙膏中其它成分遇到盐酸时无气体生成。

Ⅰ.摩擦剂中氢氧化铝的定性检验

 取适量牙膏样品，加水成分搅拌、过滤。

（1）往滤渣中加入过量NaOH溶液，过滤。

氢氧化铝与NaOH溶液反应的离子方程式是___________________________________。

（2）往

（1）所得滤液中先通入过量二氧化碳，再加入过量稀盐酸。

观察到的现象是_______________________________。

Ⅱ.牙膏样品中碳酸钙的定量测定

利用下图所示装置（图中夹持仪器略去）进行实验，充分反应后，测定C中生成的BaCO3沉淀质量，以确定碳酸钙的质量分数。

依据实验过程回答下列问题：

（3）实验过程中需持续缓缓通入空气。

其作用除了可搅拌B、C中的反应物外，还有：

_________________________________。

（4）C中反应生成BaCO3的化学方程式是________________________________。

（5）下列各项措施中，不能提高测定准确度的是_____________（填标号）。

a.在加入盐酸之前，应排净装置内的CO2气体

b.滴加盐酸不宜过快

c.在A—B之间增添盛有浓硫酸的洗气装置

d.在B—C之间增添盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气装置

（6）实验中准确称取8.00g样品三份，进行三次测定，测得BaCO3平均质量为3.94g。

则样品中碳酸钙的质量分数为_________。

（7）有人认为不必测定C中生成的BaCO3质量，只要测定装置C在吸收CO2前后的质量差，一样可以确定碳酸钙的质量分数。

实验证明按此方法测定的结果明显偏高，原因是_________________________。

6、蛇纹石可用于生产氢氧化镁，简要工艺流程如下：

I．制取粗硫酸镁：

用酸液浸泡蛇纹石矿粉，过滤；并在常温常压下结晶，制得粗硫

酸镁（其中常含有少量Fe3+、Al3+、Fe2+等杂质离子）。

II．提纯粗硫酸镁：

将粗硫酸镁在酸性条件下溶解，加入适量的0.1mol/LH2O2溶液，

再调节溶液pH至7～8，并分离提纯。

III．制取氢氧化镁：

向步骤II所得溶液中加入过量氨水。

已知：

金属离子氢氧化物沉淀所需pH

Fe3+

Al3+

Fe2+

Mg2+

开始沉淀时

1.5

3.3

6.5

9.4

沉淀完全时

3.7

5.2

9.7

12.4

请回答：

（1）步骤II中，可用于调节溶液pH至7~8的最佳试剂是（填字母序号）。

A.MgOB.Na2CO3C.蒸馏水

（2）工业上，常通过测定使铁氰化钾（K3[Fe（CN）6]）溶液不变色所需H2O2溶液的量

来确定粗硫酸镁中Fe2+的含量。

已知，测定123g粗硫酸镁样品所消耗的0.1mol/L

H2O2溶液的体积如下表所示。

平行测定数据

平均值

实验编号

1

2

3

4

消耗H2O2溶液的体积/mL

0.32

0.30

0.30

0.32

0.31

①Fe2+与H2O2溶液反应的离子方程式为。

②根据该表数据，可计算出123g粗硫酸镁样品中含Fe2+mol。

（3）工业上常以Mg2+的转化率为考察指标，确定步

骤III制备氢氧化镁工艺过程的适宜条件。

其中，

反应温度与Mg2+转化率的关系如右图所示。

①步骤III中制备氢氧化镁反应的离子方程式为

。

②根据图中所示50℃前温度与Mg2+转化率之间

的关系，可判断此反应是（填“吸热”或“放热”）反应。

③图中，温度升高至50℃以上Mg2+转化率下降的可能原因是

。

④Ksp表示沉淀溶解平衡的平衡常数。

已知：

Mg（OH）2（s）

Mg2+（aq）+2OH-（aq）Ksp=c（Mg2+）·c2（OH-）=5.6×10-12

Ca（OH）2（s）

Ca2+（aq）+2OH-（aq）Ｋsp=c（Ca2+）·c2（OH-）=4.7×10-6

若用石灰乳替代氨水，（填“能”或“不能”）制得氢氧化镁，理由是

。

7．（15分）TiO2在工业生产和日常生活中有重要用途。

I、工业上用钛矿石（FeTiO3，含FeO、Al2O3、SiO2等杂质）经过下述反应制得：

其中，步骤②发生的反应为：

2H2SO4+FeTiO3=TiOSO4+FeSO4+2H2O。

（1）净化钛矿石时，是否需要除去杂质FeO？

答：

_________（填“需要”或“不需要”）

（2）净化钛矿石时，需用浓氢氧化钠溶液来处理，写出该过程中发生反应的化学方程式。

答：

。

II、TiO2可通过下述两种方法制备金属钛：

方法一是电解TiO2来获得Ti（同时产生O2）：

将处理过的TiO2作阴极，石墨为阳极，熔融CaCl2为电解液，用碳块作电解槽池。

（3）阴极反应的电极反应式为___________________________________。

（4）电解过程中需定期向电解槽池中加入碳块的原因是______________________。

方法二是先将TiO2与Cl2、C反应得到TiCl4，再用镁还原得到Ti。

因下述反应难于发生：

TiO2（s）+2Cl2（g）

TiCl4（l）+O2（g）△H=+151kJ·mol-1

所以不能直接由TiO2和Cl2反应（即氯化反应）来制取TiCl4。

当往氯化反应体系中加入碳后，碳与上述反应发生耦合，使得反应在高温条件下能顺利进行。

（5）已知：

C（s）+O2（g）=CO2（g）△H=-394kJ·mol-1。

请填空：

TiO2（s）+C（s）+2Cl2（g）=TiCl4（l）+CO2（g）△H=______________

（6）从化学平衡的角度解释：

往氯化反应体系中加入碳时，氯化反应能顺利进行的原因。

答：

____________________________________________________________。

8.辉铜矿石主要含有硫化亚铜（Cu2S）及少量脉石（SiO2）。

一种以辉铜矿石为原料制备硝酸铜的工艺流程如下：

已知：

部分阳离子以氢氧化物形式开始沉淀和完全沉淀时溶液的pH如下表

沉淀物

Cu（OH）2

Fe（OH）3

Fe（OH）2

开始沉淀pH

4.7

2.7

7.6

完全沉淀pH

6.7

3.7

9.6

（1）写出浸取过程中Cu2S溶解成Cu2+的离子方程式_________________________。

（2）气体NOx与氧气混合后通入水中能生成流程中可循环利用的一种物质，该反应的化学方程式为_______________________________________________________

（3）可向滤液M中加入（或通入）下列______（填字母）物质，得到较多的另一种可循环利用的物质。

A．FeB．NaClOC．H2O2D.Cl2

（4）蒸发浓缩时，要用硝酸调节溶液的pH，其作用是_______________________。

（5）在除铁阶段，如果pH控制不当会使产量降低。

你认为应该采取的补救措施是：

将滤渣加入到HNO3中将pH调为________，充分反应后过滤，将滤液与原滤液合并。

9．（12分）KClO3在农业上用作除草剂，超细CaCO3广泛用于消光纸、无炭复写纸等。

某同学在实验室模拟工业过程，利用制乙炔产生的残渣制备上述两种物质，过程如下：

Ⅰ.

①电石与水反应的化学方程式是。

②残渣中主要成分是Ca（OH）2和。

Ⅱ.将Ⅰ中的部分灰浆配成浊液，通入Cl2,得到Ca（ClO3）2与CaCl2物质的量之比为1∶5

的溶液，反应的化学方程式是。

Ⅲ.向Ⅱ所得溶液中加入KCl，发生复分解反应，经蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得KClO3晶体。

你认为能得到KClO3晶体的原因是。

Ⅳ.将Ⅰ中的残渣溶于NH4Cl溶液，加热，收集挥发出的气体再利用。

向所得CaCl2溶液中依次通入NH3、CO2，便可获得超细CaCO3，过程如下：

①根据沉淀溶解平衡原理，解释残渣中难溶盐的溶解原因。

②CaCl2溶液中通入两种气体后，生成超细CaCO3的化学方程式是。

③图示的溶液A可循环使用，其主要成分的化学式是。

10.（14分）重铬酸钠俗称红矾钠（Na2Cr2O7·2H2O）是重要的化工产品和强氧化剂。

工业制备的流程如下：

请回答：

（1）已知Fe（CrO2）2中铬元素是+3价，则Fe（CrO2）2中铁元素是价。

（2）化学上可将某些盐写成氧化物的形式，如Na2SiO3可写成Na2O·SiO2，则Fe（CrO2）2

可写成。

（3）煅烧铬铁矿时，矿石中难溶的Fe（CrO2）2生成可溶于水的Na2CrO4，反应化学方程式如下：

4Fe（CrO2）2+8Na2CO3+7O2=2Fe2O3+8Na2CO4+8CO2

为了加快该反应的反应速率，可采取的措施是。

（4）已知CrO42-在不同的酸性溶液中有不同的反应，如：

2CrO42-+2H+=Cr2O72-+H2O;3CrO42-+4H+=Cr3O102-+2H2O

①往混合溶液甲中加入硫酸必须适量的原因是。

②混合溶液乙中溶质的化学式是。

（5）+3、+6价铬都有很强的毒性，+6价铬的毒性更高，可诱发肺癌和鼻咽癌，所以制取红矾钠后的废水中含有的Cr2O72－必须除去。

工业上可用电解法来处理含Cr2O72－的废水，下图为电解装置示意图（电极材料分别为铁和石墨）。

通电后，Cr2O72－在b极附近转变为Cr3+，一段时间后Cr3+最终可在a极附近变成Cr（OH）3沉淀而被除去。

a电极的电极反应式是，b电极附近反应的离子方程式是。

11．（15分）电子产品产生的大量电子垃圾对环境构成了极大的威胁。

某化学兴趣小组将一批废弃的线路板简单处理后，得到含Cu、Al、Fe及少量Au、Pt等金属的混合物，并设计出如下制备硫酸铜和硫酸铝晶体的路线：

按要求回答下列问题：

（1）滤渣1中存在的金属有_____________。

（2）已知沉淀物的pH如下表：

氢氧化物开始沉淀时的pH

氢氧化物沉淀完全时的pH

Fe2+

7.0

9.0

Fe3+

1.9

3.7

Cu2+

4.9

6.7

Al3+

3.0

4.4

①则操作②中X物质最好选用的是___________（填编号）

a．酸性高锰酸钾溶液b．漂白粉c．氯气d．双氧水

②理论上应控制溶液pH的范围是________________________。

（3）检验滤液2中既不存在Fe2+又不存在Fe3+的操作步骤是____________________。

（4）用一个离子方程式表示在酸浸液中加入适量铝粉的反应：

___________________。

（5）由CuSO4·5H2O制备CuSO4时，应把CuSO4·5H2O放在______（填仪器名称）中加热脱水。

（6）现在某些电器中使用的高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O

3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH，该电池放电时负极反应式为_______，每有1molK2FeO4被还原，转移电子的物质的量为____，充电时阳极反应式为___________。

12、食盐中含有一定量的镁、铁等杂质，加碘盐中碘的损失主要是由于杂质、水分、空气中的氧气以及光照、受热而引起的。

已知：

①氧化性：

＞Fe3＋＞I2；还原性：

＞I－；②KI＋I2

KI3

（1）某学习小组对加碘盐进行如下实验：

取一定量某加碘盐（可能含有KIO3、KI、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋），用适量蒸馏水溶解，并加稀盐酸酸化，将所得溶液分为4份。

第一份试液中滴加KSCN溶液后显红色；第二份试液中加足量KI固体，溶液显淡黄色，用CCl4萃取，下层溶液显紫红色；第三份试液中加入适量KIO3固体后，滴加淀粉试剂，溶液不变色。

①向第四份试液中加K3Fe（CN）6溶液，根据是否得到具有特征蓝色的沉淀，可检验是否含有（用离子符号表示），蓝色的沉淀是_______（用化学式表示）。

②第二份试液中加入足量KI固体后，反应的离子方程式为：

______、______

（2）KI作为加碘剂的食盐在保存过程中，由于空气中氧气的作用，容易引起碘的损失写出潮湿环境下KI与氧气反应的化学方程式：

_________________。

将I2溶于KI溶液，在低温条件下，可制得KI3·H2O。

该物质不适合作为食盐加碘剂，其理由是_________________________________。

（3）某同学为探究温度和反应物浓度对反应2IO3－＋5SO32－＋2H＋===I2＋5SO42－＋H2O的速率的影响，设计实验如下表所示：

0.01mol·L－1KIO3

酸性溶液（含淀粉）

的体积/mL

0.01mol·L－Na2SO3

溶液的体积/mL

H2O的

体积/mL

实验

温度

/℃

溶液出现

蓝色时所

需时间/s

实验1

5

V1

35

25

t1

实验2

5

5

40

25

t2

实验3

5

5

V2

0

t3

表中数据：

t1t2（填“>”、“<”或“=”）；表中V2=___________mL

13．某化学小组在学习元素周期律后，对教材中Fe2+氧化为Fe3+的实验进一步思考，并提出问题：

Cl2能将Fe2+氧化为Fe3+，那么Br2和I2能否将Fe2+氧化为Fe3+？

环节一：

理论推测

部分同学认为Br2和I2都可能将Fe2+氧化为Fe3+，他们思考的依据是。

部分同学认为Br2和I2都不能将Fe2+氧化为Fe3+，还有同学认为Br2能将Fe2+氧化为Fe3+而I2不能。

他们思考的依据是从上到下卤素单质氧化性减弱。

环节二：

设计实验进行验证

在大试管中加适量铁粉，加入10mL稀盐酸，振荡试管，充分反应后，铁粉有剩余，取上层清液进行下列实验。

实验1：

试管

操作

现象

①

先向试管中加入2mLFeCl2溶液，再滴加少量红棕色的溴水，振荡试管

溶液为黄色

②

先向试管中加入2mLFeCl2溶液，再滴加少量棕黄色的碘水，振荡试管

溶液为黄色

环节三：

实验现象的分析与解释

（1）同学甲认为①中现象说明溴水能将Fe2+氧化，离子方程式为。

同学乙认为应该补充实验，才能得出同学甲的结论。

请你帮助同学乙完成实验：

实验2：

操作

应该观察到的现象

（2）该小组同学对②中溶液呈黄色的原因展开了讨论：

可能1：

碘水与FeCl2溶液不反应，黄色是碘水稀释后的颜色。

可能2：

。

实验3：

进行实验以确定可能的原因。

操作

现象

向试管②所得溶液中继续加入0.5mLCCl4，充分振荡，静置一段时间后。

取出上层溶液，滴加KSCN溶液

静置后，上层溶液几乎无色，下层溶液为紫色；上层溶液滴加KSCN溶液后，出现浅红色

同学丙认为该实验现象可以说明是“可能2”成立，同学丁认为不严谨，于是设计了实验4：

实验4：

操作

现象

向另一支试管中加入2mLFeCl2溶液，滴加0.5mL碘水后，再加入0.5mL乙酸乙酯，充分振荡，静置一段时间后。

取出下层溶液，滴加KSCN溶液

静置后，上层液为紫色，下层液几乎无色；下层溶液滴加KSCN溶液后，没有出现浅红色

你认为实验4设计的主要目的是。

同学丁根据实验4现象得出结论：

在本次实验条件下，碘水与FeCl2溶液反应的程度很小。

（3）Cl2、Br2、I2氧化Fe2+的能力逐渐减弱，用原子结构解释原因：

。

14.硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）是一种重要的食品和饲料添加剂。

某研究性学习小组通过下列实验由废铁屑制备FeSO4·7H2O晶体，并进行了有关性质实验。

（一）FeSO4·7H2O晶体的制备步骤如下：

①将5%Na2CO3溶液加入到盛有一定量废铁屑的烧杯中，加热数分钟，用倾析法除去Na2CO3溶液，然后将废铁屑用水洗涤2～3遍；

②向洗涤过的废铁屑加入过量的稀硫酸，控制温度50～80℃之间至铁屑耗尽；

③趁热过滤，将滤液转入到密闭容器中，静置、冷却结晶；

④待结晶完毕后，滤出晶体，用少量冰水洗涤2～3次，再用滤纸将晶体吸干；

⑤将制得的FeSO4·7H2O晶体放在一个小广口瓶中，密闭保存。

请回答下列问题：

（1）以上实验中存在着明显不合理的步骤及其理由是。

（2）实验步骤④中用少量冰水洗涤晶体，其目的是。

（二）在验证“浓硝酸氧化性很强，能将Fe2+氧化成Fe3+”的实验过程中，发现了“异常现象”，激起了同学强烈的好奇心与求知欲，对此展开了讨论和实验探究。

具体情况如下：

在盛有新制FeSO4溶液的试管中滴入2滴KSCN溶液，观察现象，然后再滴入几滴浓HNO3，溶液的颜色变红，但是将红色溶液放置一会儿则发现溶液由红色快速变为蓝色，并产生红棕色气体。

（3）甲同学认为是溶液中的Fe2+的干扰造成的，大家经过理性分析，认为可以排除Fe2+的干扰，理由是。

（4）乙同学认为溶液中红色的消失，说明Fe（SCN）3被破坏，红棕色气体的生成说明了某些