第三章 工艺流程中的离子反应与平衡-《精讲精练》26版高中同步新教材化学人教A版（2019）选必修1

第三章　水溶液中的离子反应与平衡
题型整合练　工艺流程中的离子反应与平衡　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
题型1　　工艺流程中的分离与提纯
1.一种磁性材料的磨削废料的主要成分是铁镍合金(含镍质量分数约21%),还含有铜、钙、镁、硅的氧化物。由该废料制备氢氧化镍,工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)“除铁”时H2O2的作用是　　　　　　,加入碳酸钠的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)“除铜”时,反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　,若用Na2S代替H2S除铜,优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)已知“除钙镁”过程在陶瓷容器中进行,NaF的实际用量不能过多的理由为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2.铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在,主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物。从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图所示。
已知:最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2存在。
回答下列问题:
(2)水浸渣中主要有SiO2和　　　　　。
(3)“沉淀”步骤调pH到弱碱性,主要除去的杂质是　　　　。
(4)“除硅磷”步骤中,使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀。该步需要控制溶液的pH≈9以达到最好的除杂效果。若pH<9时,会导致　　　　　　　　　　　　　;pH>9时,会导致　　　　　。
(5)“分离钒”步骤中,将溶液pH调到1.8左右得到V2O5沉淀。V2O5在pH<1时,溶解为V。上述性质说明V2O5具有　　(填标号)。
A.酸性　　　　　B.碱性　　　　　C.两性
题型2　　工艺流程中的反应条件控制及陌生方程式的书写
3.四水合磷酸锌[Zn3(PO4)2·4H2O]难溶于水,是一种性能优良的绿色环保防锈颜料。实验室以锌灰(含ZnO、PbO、CuO、FeO、Fe2O3、SiO2)为原料制备Zn3(PO4)2·4H2O并回收铜的流程如下,回答下列问题:
已知:①步骤Ⅳ发生的反应为3[2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O]+10H3PO4 5[Zn3(PO4)2·4H2O]+6CO2↑+10H2O;②在酸性较强溶液中,高锰酸钾为氧化剂,还原产物为Mn2+。
(1)步骤Ⅰ中滴加KMnO4溶液反应的离子方程式为　　　　　　　　,若将步骤Ⅰ中两种试剂加入顺序调换会导致　　　　　　　　　　。
(2)试剂a为　　　　。步骤Ⅲ反应的化学方程式为　　　　　　。
题型3　　工艺流程中的定性分析与定量计算
4.红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)可用于制备制革产业中的铬鞣剂。对含铬污泥进行酸浸处理后,得到浸出液(主要含Na+、Ni2+、Cr3+、H+、Cr2),经过如下主要流程,可制得红矾钠。
已知:ⅰ.Cr(Ⅵ)溶液中存在平衡:Cr2+2H+;
ⅱ.相关金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子 开始沉淀的pH 沉淀完全的pH
Cr3+ 4.3 5.6
Ni2+ 7.1 9.2
(1)过程Ⅱ中,加入NaOH调节pH至　　　(填字母)。
A.4.3~5.6　　　　B.4.3~7.1
C.5.6~7.1　　　　D.7.1~9.2
(2)过程Ⅲ中,H2O2氧化Cr(OH)3的离子方程式为　　　　　　　　。
(5)为了测定获得的红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)纯度,称取上述流程中的产品a g配成100 mL溶液,取出25 mL放于锥形瓶中,加入稀硫酸和足量的KI溶液,置于暗处充分反应至Cr2)。
①滴定终点的现象为　　　　　　　　　　　　。
②所得Na2Cr2O7·2H2O(摩尔质量为298 g·mol-1)的纯度为
　　　　　　　　　　(用质量分数表示)。
5.利用某钴矿石(主要成分为Co2O3)制取Co(OH)2粗品及其他工业产品的工艺流程如图1所示。
图1
已知:浸出液中含有的阳离子主要有H+、Cu2+、Co2+、Fe2+、Mg2+、Ca2+。回答下列问题:
(1)钴矿石浸出时加入Na2SO3的目的为　　　　　　　　。
(2)溶液中lg c(X)(X表示Fe3+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Mg2+、Ca2+)与pH的关系如图2所示(离子浓度小于10-5 mol·L-1时可认为已除尽),在萃取余液中通入空气的目的是　　　　　　　　　　　　　,用熟石灰调pH至3.2,过滤1所得滤渣的主要成分为　　　　。
图2
答案与分层梯度式解析
1.答案　(1)将Fe2+氧化为Fe3+　调节溶液的pH,使Fe3+完全沉淀
(2)H2S+Cu2+ CuS↓+2H+　无易挥发的有毒气体H2S逸出,可保护环境
(3)“除钙镁”过程的溶液呈酸性,若NaF过量,会生成HF,HF会腐蚀陶瓷容器
解析　(1)“酸溶”时,硅的氧化物与硫酸、硝酸均不反应,“酸溶”后所得滤液中含有Fe3+、Fe2+、Ni2+、Cu2+、Mg2+、Ca2+等,“除铁”时H2O2的作用是将Fe2+氧化为Fe3+;加入碳酸钠的目的是调节溶液的pH,使Fe3+完全沉淀。
(2)“除铜”时通入H2S,将Cu2+沉淀,反应的离子方程式为H2S+Cu2+ CuS↓+2H+。H2S为易挥发的有毒气体,若用Na2S代替H2S除铜,可保护环境。
(3)“除铜”时生成了CuS和H+,溶液酸性增强,加入NaF“除钙镁”过程中,若NaF的实际用量过多,则有较多HF生成,HF会腐蚀陶瓷容器。
题型解读　化学工艺流程是将化工生产过程中主要生产阶段以流程框图形式呈现出来,该类试题通常以陌生化合物为载体,综合考查元素化合物的性质、陌生化学方程式的书写、残渣或废液成分的判断、反应条件的控制与选择、物质分离提纯的方法、产率的计算、Ksp的应用、绿色化学思想等。题目综合性强,难度大,将化学与社会生产、生活联系起来,旨在考查考生阅读提取信息,迁移应用知识的能力,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
2.答案　(2)Fe2O3　(3)[Al(OH)4]-　(4)磷酸根离子会与H+反应使其浓度降低,导致磷酸根离子无法以MgNH4PO4的形式完全沉淀,同时可能产生硅酸胶状沉淀不易处理　镁离子形成氢氧化镁沉淀,无法彻底除去含硅杂质　(5)C
解析　(2)煅烧后,含铁杂质会转化为Fe2O3,Fe2O3不与Na2CO3、NaOH反应,其也不溶于水。
(3)煅烧、浸取后含铝化合物以[Al(OH)4]-形式存在,“沉淀”步骤加硫酸调节溶液pH到弱酸性,会发生反应[Al(OH)4]-+H+ Al(OH)3↓+H2O,主要除去[Al(OH)4]-。
(5)V2O5在pH<1时,以阳离子V或VO3+形式成盐,在碱性条件下以酸根离子V或V形式成盐,故V2O5为两性氧化物。
3.答案　(1)Mn+3Fe2++7H2O MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+　在产物中引入杂质元素Mn
(2)稀硫酸　5ZnSO4+10NH4HCO3 2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O↓+5(NH4)2SO4+8CO2↑
解析　流程分析
(1)由分析知,滴加KMnO4溶液,使溶液中的Fe2+转化为Fe(OH)3,离子方程式为Mn+3Fe2++7H2O MnO2↓+3Fe(OH)3↓+5H+;在酸性较强溶液中,KMnO4的还原产物为Mn2+,若将步骤Ⅰ中两种试剂加入顺序调换会导致在产物中引入杂质元素Mn。
(2)滤渣Ⅱ的成分为过量的锌和置换出来的铜,根据流程可知,试剂a为稀硫酸;结合题中步骤Ⅳ的反应,步骤Ⅲ中加入NH4HCO3和Zn2+反应生成2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O沉淀,化学方程式为5ZnSO4+10NH4HCO3 2ZnCO3·3Zn(OH)2·2H2O↓+5(NH4)2SO4+8CO2↑。
方法规律
工艺流程类题中化学方程式的书写
　　(1)分析流程图中的反应物:包括原料、加入的物质及溶液酸碱性。
　　(2)看生成物:包括目标产物和杂质。
　　(3)书写、配平:灵活运用元素守恒和得失电子守恒书写及配平陌生反应的化学方程式。
4.答案　(1)C　(2)2Cr(OH)3+3H2O2+4OH- 2Cr+8H2O　(5)①滴入最后半滴Na2S2O3标准溶液后,溶液由蓝色变为无色,且30 s内不复色　②×100%
解析　(1)过程Ⅱ中,加入NaOH调节pH的目的是使Cr3+完全转化为Cr(OH)3沉淀,与杂质Ni2+等分离,调节pH不能使Ni2+生成Ni(OH)2沉淀,则pH范围为5.6~7.1。
(2)H2O2氧化Cr(OH)3,铬元素化合价升高为+6价,在碱性溶液中存在形式主要为Cr,故离子方程式为2Cr(OH)3+3H2O2+4OH- 2Cr+8H2O。
(5)①Cr2与KI溶液在酸性环境下充分反应有I2生成,I2遇淀粉变蓝,随Na2S2O3标准溶液的滴入蓝色变浅,恰好完全反应时蓝色消失,且30 s内不复色。
②由反应Cr2+6I-+14H+ 2Cr3++3I2+7H2O和I2+2S2 2I-+S4得到关系式Cr2~3I2~6S2,n(Cr2)=×=(×) mol= mol,纯度为×100%=×100%。
5.答案　(1)将Co3+还原为Co2+
(2)将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+　Fe(OH)3
解析　(1)钴矿石主要成分为Co2O3,利用Co2O3制取Co(OH)2,需使Co3+转化为Co2+,因此加入Na2SO3的目的为将Co3+还原为Co2+。
(2)在萃取余液中通入空气的目的是将浸出液中的Fe2+氧化为Fe3+,当pH=3.2时,Fe3+基本完全转化为Fe(OH)3,过滤1所得滤渣的主要成分为Fe(OH)3。
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