2026鲁科版高中化学选择性必修1基础题--题型整合练 工艺流程中的离子反应与平衡

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2026鲁科版高中化学选择性必修1
第3章　物质在水溶液中的行为
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.(2024山东威海模拟)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.(甄选真题)(2023新课标节选)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,在碱性介质中以Cr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 　　　　　　　　　　　　　　 　。
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.(2025山东淄博七中模拟)工业上以方铅矿(PbS,含少量FeS)和软锰矿(MnO2,含少量Fe2O3、Al2O3)为原料,制备PbO和MnCO3的工艺流程如图所示。
已知:ⅰ.PbCl2难溶于冷水,易溶于热水;PbCl2(s)+2Cl-(aq) PbC(aq)　ΔH>0。
ⅱ.常温下,某些难溶物质的Ksp如下表:
物质 Ksp
Fe(OH)3 1.0×10-38 mol4·L-4
Al(OH)3 1.0×10-33.5 mol4·L-4
PbCl2 1.5×10-5 mol3·L-3
PbCO3 7.5×10-14 mol2·L-2
Mn(OH)2 1.0×10-10.8 mol3·L-3
回答下列问题:
(1)方铅矿和软锰矿预先粉碎的目的是　　　　　　　　　　　　　;
“热浸取”时,PbS参与反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　。
(2)“操作X”是　　　　　　　　;若溶液中Mn2+的浓度为1.0×10-2 mol·L-1,则“调pH”的范围是　　　　　　　　(当离子浓度≤1.0×10-5 mol·L-1时,可认为该离子沉淀完全;忽略溶液体积变化)。
(3)“转化”过程中反应能够发生的原因是　　　　　　　　　 　;
“滤液”可循环使用,应当将其导入到　　　　　　　　(填操作单元的名称)操作中。
(4)“沉锰”过程中发生反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　。
4.(2025湖南名校联盟联考)铍的氧化物广泛应用于原子能、航天、电子、陶瓷等领域,是重要的战略物资。利用绿柱石(主要化学成分为Be3Al2Si6O18,还含有一定量的FeO和Fe2O3)生产BeO的一种工艺流程如下:
已知:①“煅烧”得到CaBeO2、Ca(AlO2)2、SiO2、Fe2O3的共熔物;
②铍和铝的化学性质相似。
请回答下列问题:
(1)“浸取”工序中残渣的主要成分是　　　　　　　　(填化学式),浸取液中的金属阳离子主要是　　　　(填离子符号)。
(2)“除铝”工序中生成铝铵钒渣[NH4Al(SO4)2·12H2O]的化学方程式为　　　　　　　　　　　　。
(3)“沉铍”后,所得滤液中的主要溶质的用途有　　　　　　　　(回答一种即可)。
(4)常温条件下“沉铍”时,若调pH=7.0,则Be的损失为原来的　　倍。
(5)Be在元素周期表的位置为　　　　,BeO与NaOH 溶液反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　。
(6)无水 BeCl2可用作聚合反应的催化剂。Be(OH)2经过一系列处理可得到BeCl2·nH2O,将BeCl2·nH2O与足量的SOCl2共热可以制备无水BeCl2。写出BeCl2·nH2O与足量的SOCl2共热的化学方程式:　　　　　　　　　　　　。
题型3　工艺流程中的定量计算
5.(2024山东临沂期中)利用某钴矿石(主要成分为Co2O3)制取Co(OH)2粗品的工艺流程如图1所示。
已知:浸出液中含有的阳离子主要有H+、Cu2+、Co2+、Fe2+、Mg2+。回答下列问题:
(1)钴矿石浸出时加入Na2SO3的目的为　　　　　　　　　　　　　。
(2)常温下溶液中lgc(X)(X表示Fe3+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Mg2+、Ca2+)与pH的变化关系如图2所示(离子浓度小于10-5 mol·L-1时可认为该离子已被除尽),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　　　　,萃取和反萃取的目的是　　　　　　。
(3)用MgO调滤液1的pH为9.1时,得到的Co(OH)2粗品中含有的主要杂质为　　　　　,多次洗涤可提高粗产品中钴含量。“过滤2”后所得滤液直接排放会造成水体污染,须进行处理,用熟石灰调节pH使c(Mg2+)≤10-5 mol·L-1,则Ksp[Mg(OH)2]=　　　　 mol3·L-3。
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+完全沉淀为黄钠铁矾渣
(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”后所得滤液中可能含有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+完全沉淀为黄钠铁矾渣。
(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。
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元素或陌生化合物为载体,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,旨在考查学生提取信息、知识迁移应用的能力,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)铝元素　(4)磷酸盐转化为可溶性的酸式盐,无法彻底除去含磷杂质　镁离子形成Mg(OH)2沉淀,无法彻底除去含硅杂质
解析　(2)煅烧后,含铁杂质会转化为Fe2O3,Fe2O3不与Na2CO3、NaOH反应,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”步骤加稀硫酸调节溶液到弱碱性,会发生反应[Al(OH)4]-+H+ Al(OH)3↓+H2O,主要除去的杂质为铝元素。
3.答案　(1)增大接触面积,加快反应速率(或提高浸取效率)　MnO2+PbS+4H++4Cl- Mn2++PbC+S+2H2O
(2)趁热过滤　4.5≤pH<9.6
(3)PbCO3溶解度远小于PbCl2[或PbCl2(s)+C(aq) PbCO3(s)+2Cl-(aq)　K=2×108 mol·L-1]　热浸取
(4)Mn2++HC+NH3·H2O MnCO3↓+N+H2O
解析　流程分析
(1)方铅矿和软锰矿预先粉碎的目的是增大接触面积,加快反应速率(或提高浸取效率)。PbS、MnO2与盐酸发生反应,离子方程式为MnO2+PbS+4H++4Cl- Mn2++PbC+S+2H2O。(2)根据信息“PbCl2难溶于冷水,易溶于热水”可知,“操作X”是趁热过滤。调节pH使得Fe3+与Al3+沉淀而Mn2+不沉淀,Ksp[Al(OH)3]>Ksp[Fe(OH)3],Fe3+先于Al3+沉淀完全,当Mn2+开始沉淀时,c平(OH-)= mol·L-1=10-4.4 mol·L-1,此时溶液pH=9.6,pH=9.6时Mn(OH)2已开始沉淀,故调pH时应使溶液pH<9.6,Al3+沉淀完全时,c平(OH-)= mol·L-1=10-9.5 mol·L-1,此时溶液pH=4.5,所以“调pH”的范围是4.5≤pH<9.6。(3)由于PbCO3溶解度远小于PbCl2,所以PbCl2能转化为PbCO3,PbCl2(s)+C(aq) PbCO3(s)+2Cl-(aq)　K= mol·L-1=2×108 mol·L-1,该反应可以进行得较完全。“滤液”可循环使用,含有大量的氯化钠,所以应当将其导入到“热浸取”操作中。(4)“沉锰”过程中的离子方程式为Mn2++HC+NH3·H2O MnCO3↓+N+H2O。
考场支招
在化工流程中常用的控制反应条件的方法
(1)调节溶液的pH。常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点:
①能与H+反应,使溶液pH增大;②不引入新杂质。
如:若要除去Cu2+中混有的Fe3+可加入CuO、CuCO3、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH,不可加入NaOH溶液、氨水等。
(2)控制温度。根据需要升温或降温,改变反应速率或使平衡向需要的方向移动。
(3)趁热过滤。防止某物质降温时析出。
(4)冰水洗涤。洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。
4.答案　(1)SiO2、CaSO4　Al3+、Fe3+、Be2+
(2)(NH4)2SO4+Al2(SO4)3+24H2O 2[NH4Al(SO4)2·12H2O]↓
(3)返回“除铝”工序中循环使用(或用作化肥)
(4)10
(5)第2周期ⅡA族　BeO+2NaOH+H2O Na2[Be(OH)4]
(6)BeCl2·nH2O+nSOCl2 BeCl2+nSO2↑+2nHCl↑
解析　流程分析
(1)由以上分析可知“浸取”工序中残渣的主要成分是SiO2、CaSO4,浸取液中的金属阳离子主要是Al3+、Fe3+、Be2+。
(2)“除铝”工序中生成铝铵钒渣的化学方程式为(NH4)2SO4+Al2(SO4)3+24H2O 2[NH4Al(SO4)2·12H2O]↓。
(3)根据流程分析可知,“沉铍”后,所得滤液中的主要溶质是(NH4)2SO4,可以返回“除铝”工序中循环使用,也可以用作化肥等。
(4)题述条件下,设Ksp[Be(OH)2]=c平(Be2+)·(OH-)=a mol3·L-3,当pH=7.5时,c(OH-)=10-6.5 mol·L-1,c(Be2+)=a×1013 mol·L-1;当pH=7时,c(OH-)=10-7 mol·L-1,此时c(Be2+)=a×1014 mol·L-1,所以“沉铍”时,若调pH=7.0,则Be的损失为原来的10倍。
(5)Be在元素周期表的第2周期ⅡA族;由题给信息可知,Be与Al的化学性质相似,参照Al2O3与氢氧化钠溶液反应的化学方程式可推出BeO与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为BeO+2NaOH+H2O Na2[Be(OH)4]。
(6)加热时,SOCl2遇水水解生成SO2和HCl,SO2和HCl能进一步抑制BeCl2的水解,从而得到无水BeCl2,所以该过程的化学方程式为BeCl2·nH2O+nSOCl2 BeCl2+nSO2↑+2nHCl↑。
5.答案　(1)将Co3+还原为Co2+
(2)将Fe2+氧化为Fe3+　Fe(OH)3　除去Cu2+
(3)CaSO4、MgSO4　10-10.8
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Fe2+氧化为Fe3+,当pH=3.2时,Fe3+转化为Fe(OH)3,过滤1所得滤渣的主要成分为Fe(OH)3,萃取与反萃取的目的为除去Cu2+。
(3)用MgO调滤液1的pH为9.1时,得到Co(OH)2粗品,结合流程中加入熟石灰和氧化镁可知,得到的Co(OH)2粗品中主要杂质为CaSO4、MgSO4;“过滤2”后所得滤液2用熟石灰调节pH使c(Mg2+)≤10-5 mol·L-1,由题图2可得Mg2+完全沉淀时pH=11.1(常温下),此时c(OH-)=10-2.9 mol·L-1,Ksp[Mg(OH)2]=10-5 mol·L-1×(10-2.9 mol·L-1)2=10-10.8 mol3·L-3。
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