第四章 微专题（三）金属及其化合物制备的“微流程设计”讲义 （教师版）

微专题（三）金属及其化合物制备的“微流程设计”
1．了解常考过渡金属及其化合物的性质与转化
(1)锌及其化合物
①Zn(OH)2＋2OH－===[Zn(OH)4]2-；
②Zn(OH)2＋2H＋===Zn2+＋2H2O；
③ZnO＋2H＋===Zn2+＋H2O；
④ZnO＋2OH－＋H2O===[Zn(OH)4]2-。
(2)钒的化合物
①V2O5：两性氧化物，但以酸性为主，与碱发生反应，如V2O5＋6NaOH===2Na3VO4＋3H2O；有较强的氧化性，如能发生反应V2O5＋6HCl（浓）===2VOCl2＋Cl2↑＋3H2O。
②NH4VO3：加热条件下不稳定，发生反应2NH4VO3V2O5＋2NH3↑＋H2O。
(3)铬的化合物
①Cr2O3：两性氧化物，Cr2O3＋6H＋===2Cr3+＋3H2O，Cr2O3＋2OH－===2CrO＋H2O。
②Cr(OH)3：两性氢氧化物，Cr(OH)3＋3H＋===Cr3+＋3H2O，Cr(OH)3＋OH－===CrO＋2H2O。
③CrO与Cr2O
a．可相互转化，2CrO（黄色）＋2H＋ Cr2O（橙色）＋H2O。
b．强氧化性，如5H＋＋Cr2O＋3HSO===2Cr3+＋3SO＋4H2O，2CrO＋16H＋＋6Cl－===2Cr3+＋3Cl2↑＋8H2O。
(4)钛的化合物
①TiO2：能与浓碱溶液缓慢反应，TiO2＋2NaOH（浓）===Na2TiO3＋H2O。常用金红石制备钛：TiO2＋2Cl2＋2CTiCl4＋2CO、2Mg＋TiCl42MgCl2＋Ti。
②TiCl4：暴露在潮湿空气中会冒出白烟，TiCl4＋3H2O===H2TiO3↓＋4HCl或TiCl4＋2H2O===TiO2↓＋4HCl。
(5)钴的配合物
①Co(Ⅱ)与H2O、Cl－配合的平衡转化：[Co(H2O)6]2+粉红色 [CoCl4]2-蓝色
②Co(Ⅱ)的配合物具有较强的还原性：Co2+＋6NH3―→[Co(NH3)6]2+[Co(NH3)6]3+
(6)锰的化合物
①MnO2：黑色粉末，锰元素为＋4价，酸性条件下具有强氧化性。
②KMnO4：紫黑色晶体，锰元素为＋7价，具有强氧化性，不同介质中还原产物不同，MnO（酸性）→Mn2+；MnO（中性）→MnO2；MnO（碱性）→MnO。
2．掌握“微流程”的分析方法
(1)“四线”分析法
(2)“四线”解读
①试剂线：分清各步加入试剂的作用，一般是为了除去杂质或进行目标元素及其化合物间的转化等。
②操作线：分离杂质和产品需要进行的分离提纯操作等。
③杂质线：分清各步去除杂质的种类，杂质的去除顺序、方法及条件等。
④产品线：工艺流程主线，关注目标元素及其化合物在各步发生的反应或进行分离、提纯的操作方法，实质是目标元素及其化合物的转化。
题型一从矿物中提取物质
【例1】　（2024·贵州卷）贵州重晶石矿（主要成分BaSO4）储量占全国以上。某研究小组对重晶石矿进行“富矿精开”研究，开发了制备高纯纳米钛酸钡(BaTiO3)工艺。部分流程如下：
下列说法正确的是(　B　)
A．“气体”主要成分是H2S，“溶液1”的主要溶质是Na2S
B．“系列操作”可为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥
C．“合成反应”中生成BaTiO3的反应是氧化还原反应
D．“洗涤”时可用稀硫酸去除残留的碱，以提高纯度
解析：重晶石矿（主要成分为BaSO4）通过一系列反应，转化为BaS溶液；加盐酸酸化，生成BaCl2和H2S气体；在BaCl2溶液中加入过量的NaOH，通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，得到Ba(OH)2·8H2O；过滤得到的溶液1的溶质主要含NaCl及过量的NaOH；Ba(OH)2·8H2O加水溶解后，加入Ti(OC4H9)4，进行合成反应，得到BaTiO3粗品，最后洗涤得到最终产品。由分析可知，A错误，B正确；“合成反应”是Ba(OH)2·8H2O和Ti(OC4H9)4反应生成BaTiO3，该反应中元素化合价未发生变化，不是氧化还原反应，C错误；“洗涤”时，若使用稀硫酸，BaTiO3会部分转化为难溶的BaSO4，故不能使用稀硫酸，D错误。
【即时训练1】　（2024·河北邢台高三期末质检）利用钛铁矿（主要成分为FeTiO3，还有SiO2、FeO、Fe2O3等杂质）为原料，通过硫酸法制备钛白粉（主要成分为TiO2）的工艺流程如图所示，下列有关说法错误的是(　C　)
已知：“酸浸”后钛主要以TiO2+形式存在。
A．“酸浸”时主要反应的离子方程式为FeTiO3＋4H＋===TiO2+＋Fe2+＋2H2O
B．检验还原反应是否完全可以选择KSCN溶液
C．结晶操作为蒸发结晶
D．在实验室灼烧TiO2·xH2O需要在坩埚中完成
解析：“酸浸”后钛主要以TiO2+形式存在，可知“酸浸”时，FeTiO3和硫酸反应生成硫酸亚铁、TiOSO4和H2O，反应的离子方程式为FeTiO3＋4H＋===TiO2+＋Fe2+＋2H2O，A正确；铁粉作用主要是将Fe3+还原为Fe2+，完全反应后溶液中不含Fe3+，因此加硫氰化钾溶液，若溶液不变红，说明已经完全反应，B正确；结晶操作应为降温结晶，C错误；实验室在坩埚中灼烧固体，D正确。
题型二从工业废料中提取物质
【例2】　（2023·福建卷）从炼钢粉尘（主要含Fe3O4、Fe2O3和ZnO）中提取锌的流程如下：
“盐浸”过程ZnO转化为[Zn(NH3)4]2+，并有少量Fe2+和Fe3+浸出。下列说法错误的是(　B　)
A．“盐浸”过程若浸液pH下降，需补充NH3
B．“滤渣”的主要成分为Fe(OH)3
C．“沉锌”过程发生反应[Zn(NH3)4]2+＋4H2O＋S2-===ZnS↓＋4NH3·H2O
D．应合理控制(NH4)2S用量，以便滤液循环使用
解析：“盐浸”过程ZnO转化为[Zn(NH3)4]2+，消耗氨气，浸液pH下降，需补充NH3，A正确；根据题中信息可知，Fe2O3、Fe3O4只有少量溶解，通入空气氧化后，Fe2+和Fe3+转化为Fe(OH)3，所以滤渣的主要成分为Fe3O4、Fe2O3和少量的Fe(OH)3，B错误；“沉锌”过程发生的反应为[Zn(NH3)4]2+＋4H2O＋S2-===ZnS↓＋4NH3·H2O，C正确；应合理控制(NH4)2S用量，以便滤液循环使用，D正确。
【即时训练2】　（2024·江西重点中学联盟3月联考）Co3O4在磁性材料、电化学领域应用广泛，利用钴渣主要含[Co2O3、FeO]制备Co3O4的流程如图所示，下列说法正确的是(　B　)
已知Fe(OH)3的Ksp为4.0×10-38，当离子浓度≤1×10-5 mol·L-1时认为该离子沉淀完全。
A．“浸取”时为提高Co的浸取率，应采取高温
B．H2O2在“浸取”中既做氧化剂又做还原剂
C．除铁时pH调节至碱性，确保将铁完全除去
D．煅烧时每生成1 mol Co3O4反应转移2 mol电子
解析：“浸取”时若采取高温会使过氧化氢分解，降低浸取率，A错误；Co2O3、FeO在酸性条件下分别被过氧化氢还原为Co2+和氧化为Fe3+，H2O2既做氧化剂又做还原剂，B正确；Fe3+完全沉淀时，pH约为3，故除铁时pH调节至弱酸性，确保将铁完全除去，C错误；煅烧时每生成1 mol Co3O4，则有3 mol CoC2O4被消耗，转移电子总数为8 mol，D错误。
1．（2024·江西赣州高三期中联考）从硝酸铜和硝酸银的混合溶液中回收铜和银的流程如下。下列说法错误的是(　B　)
A. 试剂Ⅰ可以是盐酸或稀硫酸
B．流程中涉及的反应均是氧化还原反应
C．生成银氨溶液的离子方程式为AgCl＋2NH3·H2O===[Ag(NH3)2]＋＋Cl－＋2H2O
D．若试剂Ⅱ是甲醛，1 mol甲醛参加反应最多生成4 mol Ag
解析：滤渣Ⅰ是铁和铜的固体混合物，要得到铜单质，需要除去铁，因此试剂Ⅰ可以是盐酸或稀硫酸，A正确；NaCl和AgNO3反应生成滤渣Ⅱ（即AgCl），AgCl和氨水生成银氨溶液的反应均不是氧化还原反应，B错误；生成银氨溶液的离子方程式为AgCl＋2NH3·H2O===[Ag(NH3)2]＋＋Cl－＋2H2O，C正确；1 mol甲醛参加反应最多生成4 mol Ag，D正确。
2．（2025·安徽池州高三期末）以炼铁厂锌灰（主要成分为ZnO，含少量的CuO、MnO2、Fe2O3）为原料制备ZnO的工艺流程如下，已知浸取工序中ZnO、CuO分别转化为[Zn(NH3)4]2+和[Cu(NH3)4]2+。下列说法错误的是(　C　)
A．“浸取”需控制温度，较高温度不利于提高浸取率
B．滤渣①用稀盐酸处理后得到MnO2固体
C．“煅烧”时加入焦炭可提高ZnO的产率
D．“除杂”工序的反应主要是Zn＋[Cu(NH3)4]2+===Cu＋[Zn(NH3)4]2+
解析：“浸取”时温度过高会导致碳酸氢铵和氨水分解，A正确；锌灰（主要成分为ZnO，含少量的CuO、MnO2、Fe2O3）浸取时，ZnO、CuO转化为[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+，MnO2、Fe2O3不反应，滤渣①的主要成分为Fe2O3和MnO2，用稀盐酸溶浸时，Fe2O3溶解，得到MnO2，B正确；滤液①中含有[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+等，加入锌粉时，发生反应：Zn＋[Cu(NH3)4]2+===Cu＋[Zn(NH3)4]2+，从而除去杂质[Cu(NH3)4]2+，D正确；滤液②经过蒸氨沉锌操作获得沉淀ZnCO3·Zn(OH)2，最后煅烧获得ZnO，“煅烧”时加入焦炭，ZnO会变为单质Zn，会降低ZnO的产率，C错误。
3．（2025·江苏淮安高中校协作体高三期中联考）一种从某钒矿石（主要成分为V2O5、Al2O3、Fe2O3和SiO2）中提钒的工艺流程如图所示。
已知：酸浸的温度应控制在80 ℃，(VO2)2SO4易水解。
下列说法错误的是(　B　)
A．“氯化焙烧”时气体与矿料逆流而行的目的是使反应物充分接触，加快反应速率
B．“氯化焙烧”“酸浸”和“还原”的操作过程中均有氧化还原反应发生
C．“酸浸”的温度不宜过高的目的是防止VO过度水解
D．“操作X”使用的主要玻璃仪器有梨形分液漏斗、烧杯
解析：“氯化焙烧”时气体与矿料逆流而行的目的是使反应物充分接触，加快反应速率，A正确；“氯化焙烧”和“还原”的操作过程中均有氧化还原反应发生，“酸浸”的过程中各物质的化合价没有发生变化，不属于氧化还原反应，B错误；VO易水解，升高温度促进水解，所以“酸浸”的温度不宜过高的目的是防止VO过度水解，C正确；“操作X”为反萃取、分液，需要烧杯、梨形分液漏斗，D正确。
4．（2024·湖北武汉高三期中联考）钯是航天、航空高科技领域的重要材料。工业用粗钯制备高纯度钯的流程如图：
下列说法错误的是(　D　)
A．酸浸时反应的化学方程式是Pd＋6HCl＋4HNO3===H2PdCl6＋4NO2↑＋4H2O
B．“热还原”中每生成1 mol Pd的同时生成的气体的物质的量为8 mol
C．化学实验中可利用氯钯酸根离子检验溶液中是否含有NH
D．在“酸浸”过程中为加快反应速率可用浓硫酸代替浓盐酸
解析：据题图可知，酸浸时反应物有Pd、浓硝酸和浓盐酸，产物有NO2，中和过程为非氧化还原过程，说明酸浸后Pd的化合价应为＋4，存在形式为PdCl，结合得失电子守恒和元素守恒可知化学方程式为Pd＋6HCl＋4HNO3===H2PdCl6＋4NO2↑＋4H2O，A正确；根据元素守恒生成的气体应为HCl和NH3，生成1 mol Pd，则消耗1 mol氯钯酸铵，根据元素守恒可知可生成2 mol NH3和6 mol HCl，共8 mol气体，B正确；氯钯酸铵为红色沉淀，所以若某溶液中含有铵根，滴入含有氯钯酸根离子的溶液可以生成红色沉淀，有明显现象，可以检验铵根，C正确；溶解过程中盐酸电离出的Cl－与Pd4+生成络合物，促使Pd转化为Pd4+的反应正向移动，从而使Pd溶解，若换成浓硫酸，无法生成络合物，会使溶解的效率降低，D错误。
5．（2024·安徽滁州一模）以钴渣（主要成分是CoO、Co2O3，含少量Ni、Al2O3等杂质）为原料制取CoCO3，工艺流程如下。下列说法错误的是(　B　)
已知：
①碱性条件下，Co2+会转化成Co(OH)2；
②Ni2+被萃取原理：Ni2+（水层）＋2HA（有机层） NiA2（有机层）＋2H＋（水层）。
A．试剂X为稀硫酸
B．“酸浸”中Co2O3反应的离子方程式为Co2O3＋6H＋===2Co3+＋3H2O
C．为保证工艺所得产品的纯度，萃取过程中，添加萃取剂应采用少量多次的方法进行
D．“沉钴”时，应向上一步所得含Co2+的溶液中逐滴滴加Na2CO3溶液，以提高CoCO3产率
解析：由Ni2+被萃取原理可知，加入酸使平衡逆向进行，则试剂X为稀硫酸，A正确；“酸浸”中Co2O3反应的离子方程式为Co2O3＋SO2＋2H＋===2Co2+＋SO＋H2O，B错误；若萃取剂的总量一定，分次加入相当于不断降低物质的浓度，提高萃取效率，比一次加入效果更好，C正确；由已知①可知，碱性条件下，Co2+会转化为Co(OH)2，故“沉钴”时，向含Co2+的溶液中逐滴滴加Na2CO3溶液，Co2+过量，可以提高CoCO3的产率，D正确。