高考化学考点剖析12化工流程中铝化合物的处理解析版.docx
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高考化学考点剖析12化工流程中铝化合物的处理解析版
考点12化工流程中铝化合物的处理
1.(2019全国Ⅲ卷)高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备,工艺如下图所示。
回答下列问题:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子
Mn2+
Fe2+
Fe3+
Al3+
Mg2+
Zn2+
Ni2+
开始沉淀的pH
8.1
6.3
1.5
3.4
8.9
6.2
6.9
沉淀完全的pH
10.1
8.3
2.8
4.7
10.9
8.2
8.9
(1)“滤渣1”含有S和__________________________;写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式____________________________________________________。
(2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是将________________________。
(3)“调pH”除铁和铝,溶液的pH范围应调节为_______~6之间。
(4)“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+,“滤渣3”的主要成分是______________。
(5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。
若溶液酸度过高,Mg2+沉淀不完全,原因是_____________________________________________________________________。
(6)写出“沉锰”的离子方程式___________________________________________________。
(7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料,其化学式为LiNixCoyMnzO2,其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。
当x=y=
时,z=___________。
【答案】
(1).SiO2(不溶性硅酸盐)
(2).MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O(3).将Fe2+氧化为Fe3+(4).4.7(5).NiS和ZnS(6).F−与H+结合形成弱电解质HF,MgF2
Mg2++2F−平衡向右移动(7).Mn2++2
=MnCO3↓+CO2↑+H2O(8).
【解析】
(1)Si元素以SiO2或不溶性硅盐存在,SiO2与硫酸不反应,所以滤渣I中除了S还有SiO2;在硫酸的溶浸过程中,二氧化锰和硫化锰发生了氧化还原反应,二氧化锰作氧化剂,硫化锰作还原剂,方程式为:
MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O;
(2)二氧化锰作为氧化剂,使得MnS反应完全,且将溶液中Fe2+氧化为Fe3+;
(3)由表中数据知pH在4.7时,Fe3+和Al3+沉淀完全,所以应该控制pH在4.7~6之间;
(4)根据题干信息,加入Na2S除杂为了出去锌离子和镍离子,所以滤渣3是生成的沉淀ZnS和NiS;
(5)由HF
H++F-知,酸度过大,F-浓度减低,使得MgF2
Mg2++2F-平衡向沉淀溶解方向移动,Mg2+沉淀不完全;
(6)根据题干信息沉锰的过程是生成了MnCO3沉淀,所以反应离子方程式为:
Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O;
(7)根据化合物中各元素化合价代数和为0的规律得:
1+2x+3y+4z=6,已知,x=y=1/3,带入计算得:
z=1/3
2、(2018年江苏化学)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题16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—
)×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)=__________________。
【答案】SO2+OH−
HSO3−FeS2硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中NaAlO2Al(OH)31∶16
【解析】
(1)过量SO2与NaOH反应生成NaHSO3和H2O,反应的化学方程式为SO2+NaOH=NaHSO3,离子方程式为SO2+OH-=HSO3-。
(2)①根据题给已知,多数金属硫酸盐的分解温度高于600℃,不添加CaO的矿粉低于500℃焙烧时,去除的硫元素主要来源于FeS2。
②添加CaO,CaO起固硫作用,添加CaO发生的反应为2CaO+2SO2+O2=2CaSO4,根据硫去除率的含义,700℃焙烧时,添加1%CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低的原因是:
硫元素转化为CaSO4留在矿粉中。
(3)“碱浸”时Al2O3、SiO2转化为溶于水的NaAlO2、Na2SiO3,向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2,CO2与NaAlO2反应生成NaHCO3和Al(OH)3,反应的离子方程式为CO2+AlO2-+2H2O=Al(OH)3↓+HCO3-,即Al元素存在的形式由NaAlO2转化为Al(OH)3。
(4)Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2,反应的化学方程式为FeS2+16Fe2O3
11Fe3O4+2SO2↑,理论上完全反应消耗的n(FeS2):
n(Fe2O3)=1:
16。
1、铝土矿的主要成分是Al2O3,碱溶生成的是AlO2-,酸溶生成的是Al3+。
2、化工流程中,Al3+开始沉淀的pH=3.4,沉淀完全的pH=4.7。
铝盐生成Al(OH)3最好用氨水;偏铝酸盐生成Al(OH)3最好通入过量的CO2。
典例1(江苏省南通、徐州、扬州、泰州、淮安、宿迁六市2018届高三第二次调研二模)CoCO3是一种制造锂电池电极的原料。
以含钴废渣(主要成分CoO、CO2O3,还含有Al2O3、ZnO等杂质)为原料制备CoCO3的一种工艺流程如下:
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)
金属离子
开始沉淀的pH
沉淀完全的pH
Co2+
7.6
9.4
Al3+
3.0
5.0
Zn2+
5.4
8.0
(1)“酸浸”时通入SO2的目的是____________________________。
(2)“除铝”时调节溶液pH范围为________,该过程中主要反应的离子方程式为___________________。
(3)“萃取”过程可表示为ZnSO4(水层)+2HX(有机层)
ZnX2(有机层)+H2SO4(水层),由有机层获取ZnSO4溶液的操作是__________________________________________。
(4)“沉钴”时Na2CO3溶液需缓慢滴加的原因是_____________
(5)CoCO3隔绝空气灼烧可以生成Co2O3,该反应的化学方程式为__________________。
【答案】将Co3+还原为Co2+5.0~5.42Al3++3CO32-+3H2O=2Al(OH)3↓+3CO2↑向有机层中加入适量的硫酸溶液充分振荡,静置,分液防止加入过快而产生Co(OH)2沉淀2CoCO3
Co2O3+CO↑+CO2↑
【解析】
(1)“酸浸”时通入SO2的目的是将Co3+还原为Co2+;
(2)“除铝”时调节溶液pH范围使铝完全沉淀但锌没有开始沉淀,则范围为5.0~5.4,该过程中主要反应的离子方程式为2Al3++3CO32-+3H2O=2Al(OH)3↓+3CO2↑;(3)“萃取”过程可表示为ZnSO4(水层)+2HX(有机层)
ZnX2(有机层)+H2SO4(水层),由有机层获取ZnSO4溶液的操作是向有机层中加入适量的硫酸溶液充分振荡,静置,分液;(4)“沉钴”时Na2CO3溶液需缓慢滴加,防止加入过快而产生Co(OH)2沉淀;(5)CoCO3隔绝空气灼烧可以生成Co2O3,同时生成二氧化碳,反应的化学方程式为2CoCO3
Co2O3+CO↑+CO2↑。
典例2(山东省日照市2018届高三4月校际联合期中考试)以红土镍矿(主要成分为NiS、FeS和SiO2等) 为原料制备兰尼镍的工艺流程如下所示。
(1)形成Ni(CO)4时碳元素的化合价没有变化,则Ni(CO)4中的Ni的化合价为___________。
(2)Ni2O3有强氧化性,加压酸浸时有气体产生且镍被还原为Ni2+,则产生的气体为______(填化学式)。
(3) 滤渣D为单质镍、硫的混合物,请写出向浸出液B中通入H2S气体时所有反应的离子方程式:
__________________________,_________________________。
(4) 已知:
3Fe2+ +2[Fe(CN)6]3-==Fe3[Fe(CN)6]2↓(蓝色沉淀);4Fe3++3[Fe(CN)6]4-==Fe4[Fe(CN)6]3↓(蓝色沉淀)。
下列可以用于检验滤液C 中金属阳离子的试剂有____________(填标号)
a.KSCN溶液b.K3[Fe(CN)6]c.K4[Fe(CN)6]d.苯酚
(5)兰尼镍是一种带有多孔结构的细小晶粒组成的镍铝合金。
碱浸镍铝合金后,残铝量对兰尼镍的催化活性有重大影响,根据下图分析,残铝量在_____范围内催化活性最高,属于优质产品。
(6) 仿照下面示例,设计从浸出液E 回收氧化铝的流程:
浸出液E_________________。
(示例:
)
【答案】0O2H2S+ 2Fe3+==2Fe2++2H++ S↓H2S+Ni2+==Ni↓+2H++S↓b4%~6%
【解析】
(1)Ni(CO)4中碳为+2价、氧-2价,故Ni的化合价为0;
(2)Ni2O3有强氧化性,加压酸浸时有气体产生且镍被还原为Ni2+,Ni的化合价降低,则氧元素的化合价应升高,则产生的气体为O2;(3) 滤渣D为单质镍、硫的混合物,浸出液B含有Fe3+、Ni2+,向其中通入H2S气体时Fe3+被还原为Fe2+,同时生成硫单质,且Ni2+被还原为单质,反应的离子方程式:
H2S+ 2Fe3+==2Fe2++2H++ S↓、H2S+Ni2+==Ni↓+2H++S↓;(4)根据上述分析,过滤后得到滤液C含有Fe2+,检验滤液C 中金属阳离子的试剂可选择.K3[Fe(CN)6],答案选b;(5)根据下图分析,残铝量在4%~6%范围内催化活性最高,属于优质产品;(6)从浸出液E 回收氧化铝的流程可表示为:
浸出液E
。
1.(广西省南宁市普通高中2019届高三毕业班第一次适应测试)工业上利用氧化铝基废催化剂(主要成分为Al2O3,还含有少量Pd)回收Al2(SO4)3及Pd的流程如下:
(1)Al2(SO4)3溶液蒸干灼烧后所得物质的化学名称是___________。
(2)焙烧时Al2O3与(NH4)2SO4反应的化学方程式为___________。
水浸与中和步骤得到溶液的操作方法是___________。
(3)浸液Y中含Pd元素的溶质是___________(填化学式)。
(4)“热还原”中每生成1molPd生成的气体的物质的量为___________(已知热还原得到的固体只有Pd)。
(5)Pd是优良的储氢金属,其储氢原理为2Pd(s)+xH2(g)==2PdHx(s),其中x的最大值为0.8。
已知:
Pd的密度为12g·cm-3,则10.6cm3Pd能储存标准状况下H2的最大体积为___________L。
(6)铝的阳极氧化法是将铝作为阳极,置于硫酸等电解液中,加入α-羟基丙酸、丙三醇后进行电解,可观察到铝的表面会形成一层致密的氧化膜。
①写出电解时阳极的电极反应式:
______________________。
②电解过程中α-羟基丙酸、丙三醇的作用可能是______________________。
【答案】硫酸铝3(NH4)2SO4+Al2O3高温Al2(SO4)3+6NH3↑+3H2O↑过滤H2PdCl68mol10.7522Al+3H2O-6e-==Al2O3+6H+抑制氧化膜的溶解(或使形成的氧化膜更致密等其他合理答案)
【解析】
(1)Al2(SO4)3溶液中水解生成氢氧化铝和硫酸,加热蒸发,硫酸是难挥发性酸,蒸出的为水,得到硫酸铝固体;
答案:
硫酸铝
(2)从流程中得知,反应物为(NH4)2SO4和Al2O3,生成物包括NH3和Al2(SO4)3,不难推出还有另一个生成物水,注意条件高温不要漏了;水浸后分离出滤渣和溶液,所以操作为过滤;
答案:
3(NH4)2SO4+Al2O3
Al2(SO4)3+6NH3↑+3H2O↑过滤
(3)氨气中和后生成滤液(NH4)2SO4,所以往前推理Y中含Pd的溶质为H2PdCl6;
答案:
H2PdCl6
(4)(NH4)2PtCl6+2H2
Pt+2NH3↑+6HCl↑,热还原得Pd,生成1molPd,则还有2mol氨气和6molHCl,故气体物质的量为8mol;
答案:
8mol
(5)本题利用化学计量知识计算,m=ρV,n=m/M,得n(Pd)=1.2mol,x最大值为0.8,则令x=0.8,参与反应氢气为0.48mol,故标准状况下气体体积为10.752L。
答案:
10.752
(6)①阳极反应方程式为铝失去电子,生成氧化膜氧化铝,反应式为2Al+3H2O-6e-==Al2O3+6H+;
答案:
2Al+3H2O-6e-==Al2O3+6H+
②因为实验目的是观察氧化膜的形成,所以添加物的目的要从保持氧化膜的角度考虑即可,答案可以是抑制氧化膜的溶解(或使形成的氧化膜更致密等其他合理答案);
答案:
抑制氧化膜的溶解(或使形成的氧化膜更致密等其他合理答案)
2.(山西省吕梁市2018届高三上学期第一次模拟考试)目前钴酸锂(LiCoO2)锂离子电池应用十分广泛,从废旧钴酸锂理离子电池中回收铝、铁、钴、锂等元素成了重要的研究课题,某小组模拟工业流程从废旧电池中对上述元素进行提取。
已知:
①滤液1中阳离子有H+、CO3+、Fe3+、Al3+、Li+等;
②几种物质不同温度下的溶解度如下表所示:
T/℃
20
40
60
80
S(Li2CO3)/g
1.33
1.17
1.01
0.85
S(Li2SO4)/g
34.2
32.8
31.9
30.7
(1)钴酸锂(LiCoO2)中钴元素的化合价是_______________。
(2)上述流程中将CoO2-转化为Co3+的离子方程式为_________________。
(3)滤液1中加入Na2SO3的主要目的是_____________________;加入NaClO3的主要目的是____________。
(4)为了使Fe3+、Al3+沉淀完全(通常认为金属离子浓度小于或等于10-5mol·L-1时表示已沉淀完全)加入氨水调节pH的最小值是____________(保留一位小数)。
{已知:
Ksp[Fe(OH)3]=1.0×10-39,Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34,lg3=0.52}
(5)滤液3中加入饱和Na2CO3溶液,过滤后,需要用“热水洗涤”的原因是_________。
(6)为得到高纯度的Li2CO3,需将粗产品Li2CO3与盐酸反应制得的LiCl进行电解。
其原理如图所示:
①电解时阳极的电解反应式为_____________________。
②电解后向产品LiOH溶液中加入过滤NH4HCO3溶液生成Li2CO3,反应的化学方程式为__________。
【答案】+34H++CoO2===2H2O+Co3+将Co3+氧化为Co2+将Fe2+氧化为Fe3+4.5Li2CO3溶解度随温度升高而减小,热水洗涤可减少Li2CO3的损失2Cl--e-===Cl2↑2LiOH+2NH4HCO3===Li2CO3+(NH4)2CO3+2H2O
【解析】
(1)钴酸锂(LiCoO2)中锂的化合价为+1、氧为-2价,根据化合物化合价代数和为0可知,钴元素的化合价是+3价;
(2)根据流程可知,废旧电池燃烧除去碳及有机物后利用硫酸浸泡得到的滤液1中阳离子有H+、CO3+、Fe3+、Al3+、Li+等;故将CoO2-转化为Co3+的离子方程式为4H++CoO2===2H2O+Co3+;(3)滤液1中阳离子有H+、CO3+、Fe3+、Al3+、Li+等;亚硫酸钠具有还原性,能将Co3+氧化为Co2+;NaClO3具有氧化性,能将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+;(4)依据已知的Ksp[Al(OH)3]=2.7×10-34,Ksp[Fe(OH)3]=1.0×10-39,可以求得Al3+和Fe3+完全以氢氧化物沉淀时(即金属离子浓度小于10-5mol·L-1时)的pH分别为:
4.5和3.4;,加入氨水调节pH的最小值是4.5;(5)滤液3中加入饱和Na2CO3溶液,过滤后,需要用“热水洗涤”的原因是Li2CO3溶解度随温度升高而减小,热水洗涤可减少Li2CO3的损失;(6)①电解LiCl溶液时阳极氯离子失电子产生氯气,电解反应式为2Cl--e-=Cl2↑;②电解后向产品LiOH溶液中加入过滤NH4HCO3溶液生成Li2CO3,反应的化学方程式为2LiOH+2NH4HCO3===Li2CO3+(NH4)2CO3+2H2O。
3.(湖南省张家界市2018届高三第三次模拟考试)铬合金具有高硬度、耐腐蚀特性,广泛应用于精密仪器制造,由高碳铬铁合金废料制取铬的简单流程如下:
已知:
Cr+H2SO4=CrSO4+H2↑
请回答下列问题:
请回答下列问题:
(1)稀硫酸酸浸过程中,提高“浸出率”的措施有_____(写一条即可)
(已知:
)
(2)用纯碱调节溶液酸度,若纯碱过量,则可能导致的后果是______,副产物中两种主要物质的化学式为_____________;
(3)加入草酸发生反应的离子方程式为______;利用铝热反应冶炼铬。
请写出该反应的化学方程式_________;
(4)向滤液中通入空气,加入氨水后发生反应的化学方程式为_________;
(5)利用如图装置,探究铬和铁的活泼性强弱。
能证明铁比铬话泼的实验现象是______,工业上,在钢器具表面镀铬,用硫酸铬(CrSO4)溶液作电解液,阴极的电极反应式为___________;
(6)已知高碳铬铁度料中铁铭元素质量比为14:
13.上述流程中铁元素转化草酸亚铁的利用率为80%。
废料中提取金属铬的总转化率为95%,如果得到草酸亚铁品体(FeC2O4·2H2O)质量为18.00吨,则可以冶炼铬的质量为____吨(结果保留1位小数)。
【答案】加热、搅拌、适当提高稀硫酸浓度等(答案合理即可)Cr2+、Fe2+水解或沉淀Na2SO4、NaHSO4Fe(OH)2+H2C2O4=FeC2O4·2H2O↓Cr2O3+2Al
Al2O3+2Cr4CrSO4+O2+8NH3·H2O+2H2O=4Cr(OH)3↓+4(NH4)2SO4铬极上产生气泡Cr2++2e-=Cr6.2
【解析】
(1)已知:
,稀硫酸酸浸过程中,提高“浸出率”的措施就是加快化学反应速率,结合影响化学化学反应速率的因素进行总结,例加热、搅拌或适当提高稀硫酸浓度等。
(2)用纯碱调节溶液酸度,若纯碱过量,因为CO32-水解显碱性,则可能导致Cr2+、Fe2+沉淀,根据反应流程图,副产物中两种主要物质的化学式为Na2SO4(NH4)2SO4
(3)加入草酸发生反应的离子方程式为Fe(OH)2+H2C2O4=FeC2O4·2H2O↓;利用铝热反应指用金属铝和金属氧化物反应冶炼金属。
铝热反应冶炼铬的化学反应方程式Cr2O3+2Al
Al2O3+2Cr。
(4)向滤液中通入空气,加入氨水后发生反应的化学方程式为4CrSO4+O2+8NH3·H2O+2H2O=4Cr(OH)3↓+4(NH4)2SO4
(5)由装置图分析此装置为原电池,铬和铁做电极材料,电解质为稀硫酸,根据原电池工作原理,活泼金属做负极,所以铁做负极失电子,铬做正极,溶液中H+得电子生成氢气,所以铬极上产生气泡,说明铁的金属活泼性比铬强。
在钢器具表面镀铬,钢器具做阴极,用硫酸铬(CrSO4)溶液作电解液,阴极的电极反应式为Cr2++2e-=Cr。
(6)由已知得(FeC2O4·2H2O)的物质的量为(18
6g)/180g.mol-1=105mol
铁元素转化草酸亚铁的利用率为80%,所以混合物中铁的含量为105mol/80%=1.25
105mol已知高碳铬铁度料中铁铭元素质量比为14:
13.,说明铁和铬原子个数比为1:
1,所以混合物中铬的含量为1.25
105mol,流程中废料中提取金属铬的总转化率为95%,可以冶炼铬的质量为1.25
105mol
52g.mol-1=6.2
6g=6.2吨。
4.(辽宁省沈阳市东北育才学校2019届高三联合考试)铁、铝是重要的金属材料,铁、铝及其化合物有非常重要的用途。
(1)下列说法正确的是________(填序号)。
①配制氯化铁溶液,先将FeCl3固体溶于较浓盐酸,再用蒸馏水稀释到所需的浓度
②FeCl2只能通过置换反应生成,FeCl3只能通过化合反应生成
③利用氯水和KSCN溶液可以检验Fe3+中有无Fe2+
④加热蒸干Fe2(SO4)3溶液获得Fe2(SO4)3固体
⑤含amolAlCl3的溶液和含1.5amolNaOH的溶液,无论正滴和反滴,生成Al(OH)3的质量相等
⑥由于金属铝性质稳定,所以Al在空气中能稳定存在
(2)高铁酸钾(K2FeO4)是一种高效多功能水处理剂。
其作用原理为__________________。
(3)以铝土矿(主要成分为Al2O3和Fe2O3、SiO2)为原料制备铝的一种工艺流程如下:
①滤渣主要成分为___________________
②在实验室灼烧操作应选择的实验仪器为_____________________
③反应II中,加入NaHCO3一段时间才有沉淀生成,写出加入少量NaHCO3时发生反应的离子方程式________。
(4)已知25℃时Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10−20,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10−38,Ksp[Al(OH)3]=1.1×10−33。
①在25℃下,向浓度均为0.1mol·L−1的AlCl3和CuCl2混合溶液中逐滴加入氨水,先生成________沉淀(填化学式)。
②溶液中某离子物质
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