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专项提能训练(一)金属及其化合物在化工流程中的转化1.以赤铁矿主要成分为Fe2O3(质量分数约为60.0%),杂质为FeO(质量分数约为3.6%)、Al2O3、MnO2、CuO等为原料制备高活性铁单质的主要生产流程如图所示:已知部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH如表所示:沉淀物Fe(OH)3Al(OH)3Fe(OH)2Cu(OH)2pH3.45.29.76.7请回答下列问题:(1)含杂质的赤铁矿使用前要将其粉碎,目的是。操作的名称是。(2)将操作后所得的MnO2与KClO3、KOH溶液混合共热,可得到K2MnO4,此反应的化学方程式是。(3)将pH控制在3.6的目的是。已知25 时,KspCu(OH)2=210-20,该温度下反应Cu2+2H2OCu(OH)2+2H+的平衡常数K=。(4)加入双氧水时发生反应的离子方程式为。(5)利用氨气在500 以上分解得到的氮原子渗透到铁粉中可制备氮化铁(FexNy),若消耗氨气17.0 g,消耗赤铁矿1 kg,写出该反应完整的化学方程式:。答案(1)增大赤铁矿与稀硫酸的接触面积,加快浸出反应速率,提高浸出率过滤(2)3MnO2+6KOH+KClO33K2MnO4+KCl+3H2O(3)使Fe3+全部形成沉淀而其他金属离子不形成沉淀5.010-9(4)H2O2+2Fe2+2H+2Fe3+2H2O(5)16Fe+2NH32Fe8N+3H2解析(1)使用前将赤铁矿粉碎,可以增大酸浸时赤铁矿与稀硫酸的接触面积,加快浸出反应速率,提高浸出率。经过操作得到固体和溶液,故操作的名称为过滤。(2)共热时MnO2转化为K2MnO4,Mn元素化合价升高,则Cl元素化合价降低,KClO3转化为KCl,根据得失电子守恒、原子守恒配平化学方程式:3MnO2+6KOH+KClO33K2MnO4+KCl+3H2O。(3)加入双氧水,Fe2+被氧化为Fe3+,溶液a中的阳离子为Fe3+、Al3+、Cu2+等,根据表中提供的Fe3+、Al3+、Cu2+完全沉淀时的pH可知,将pH控制在3.6的目的是使Fe3+全部形成沉淀而其他金属离子不形成沉淀。25 时,该反应的平衡常数K=c2(H+)c(Cu2+)=c2(H+)c2(OH-)c(Cu2+)c2(OH-)=KW2KspCu(OH)2=(10-14)2210-20=5.010-9。(4)加入双氧水时,Fe2+被氧化为Fe3+,发生反应的离子方程式为H2O2+2Fe2+2H+2Fe3+2H2O。(5)17.0 g氨气为1 mol,1 kg赤铁矿中含有的Fe原子的物质的量为1000g60.0%160gmol-12+1000g3.6%72gmol-1=8 mol,则NH3、Fe按照物质的量之比18参加反应,根据原子守恒配平化学方程式:16Fe+2NH32Fe8N+3H2。2.硼镁泥是硼镁矿生产硼砂晶体(Na2B4O710H2O)时的废渣,其主要成分是MgO,还含有Na2B4O7、CaO、Fe2O3、FeO、MnO、SiO2等杂质。以硼镁泥为原料制取MgSO47H2O的工艺流程如下:回答下列问题:(1)Na2B4O710H2O中B的化合价为;Na2B4O7可制备强还原剂NaBH4,写出NaBH4的电子式:。(2)滤渣A中除含有H3BO3外,还含有;加入硫酸时Na2B4O7发生反应的化学方程式为。(3)滤渣B中含有不溶于稀盐酸,但加热时能溶于浓盐酸的黑色固体,写出生成黑色固体的离子方程式:;加入MgO的目的是。(4)碱性条件下,阴极上电解NaBO2溶液也可制得硼氢化钠,其电极反应式为;“有效氢含量”(即:每克含氢还原剂的还原能力相当于多少克H2的还原能力)可用来衡量含氢还原剂的还原能力,则NaBH4的有效氢含量为(保留2位有效数字)。答案(1)+3Na+HBHHH-(2)SiO2Na2B4O7+H2SO4+5H2O Na2SO4+4H3BO3(3)ClO-+Mn2+H2O MnO2+Cl-+2H+调节溶液的pH,使Fe3+转化为氢氧化铁沉淀除去(4)BO2-+6H2O+8e- BH4-+8OH-0.21解析由题中信息可知,硼镁泥经硫酸浸取后过滤除去滤渣A,滤渣A主要含H3BO3和SiO2,滤液中主要含硫酸镁、硫酸亚铁、硫酸铁、硫酸锰、硫酸钙等;滤液中加入次氯酸钠把亚铁离子氧化为铁离子、把锰离子氧化为二氧化锰,过滤除去滤渣B,滤渣B主要为二氧化锰;滤液经蒸发浓缩、趁热过滤,除去滤渣C,经冷却结晶、过滤,即得到MgSO47H2O。(1)Na2B4O710H2O中Na、H、O的化合价分别为+1、+1、-2,故B的化合价为+3;NaBH4为离子化合物,其由钠离子和硼氢根离子组成,其电子式为Na+HBHHH-。(2)滤渣A中除含有H3BO3外,还含有SiO2;加入硫酸时Na2B4O7发生反应的化学方程式为Na2B4O7+H2SO4+5H2O Na2SO4+4H3BO3。(3)滤渣B中含有不溶于稀盐酸,但加热时能溶于浓盐酸的黑色固体,则此黑色固体是MnO2,生成黑色固体的离子方程式为ClO-+Mn2+H2O MnO2+Cl-+2H+;加入MgO的目的是调节溶液的pH,使Fe3+水解转化为氢氧化铁沉淀除去。(4)碱性条件下,阴极上电解NaBO2溶液也可制得硼氢化钠,其电极反应式为BO2-+6H2O+8e- BH4-+8OH-;NaBH4作为还原剂时,其中H由-1价降低至+1价,故1 mol NaBH4可以失去8 mol电子,相当于4 mol H2的还原能力,故NaBH4的有效氢含量为4mol2g/mol38g=0.21。3.海水是宝贵的资源,氯碱工业、海水提镁、海水提溴等为人类提供了大量工业原料。下图是海水综合利用的部分流程图,据图回答问题:(1)由海水晒制的粗盐中含有Ca2+、Mg2+、SO42-等离子,为除去这些离子,所加试剂及其先后顺序为(写化学式)。(2)电解饱和食盐水的化学方程式为。制取MgCl2的过程中涉及反应:MgCl26H2OMgCl2+6H2O,该反应要在HCl气氛中进行,原因是。(3)苦卤中通入Cl2置换出Br2,吹出后用SO2吸收,写出用SO2吸收时发生反应的离子方程式:,由此判断Cl2、Br2、SO2的氧化性由强到弱的顺序为。(4)也有工艺是在吹出Br2后用碳酸钠溶液吸收,生成溴化钠和溴酸钠,同时有CO2放出,该反应的离子方程式是;最后再用H2SO4处理得到Br2,之后加入CCl4萃取Br2,最终用的方法得到单质Br2。答案(1)BaCl2、CaO、Na2CO3、HCl(合理即可)(2)2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH抑制MgCl2水解(3)Br2+SO2+2H2O2Br-+4H+SO42-Cl2Br2SO2(4)3Br2+3CO32-5Br-+BrO3-+3CO2蒸馏解析(1)CaO与水反应生成的Ca(OH)2可以除去Mg2+,Na2CO3溶液可以除去Ca2+,BaCl2溶液可以除去SO42-。除杂过程中试剂均过量,会引入新的杂质离子OH-、CO32-、Ba2+,通过加适量盐酸可以将CO32-和OH-转化为CO2和H2O,但过量的Ba2+必须由Na2CO3溶液来除去,因此盐酸必须最后加入,Na2CO3溶液必须在加入BaCl2溶液之后加入,而CaO和BaCl2溶液加入的顺序可以调换。(2)电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH。加热MgCl26H2O时MgCl2易发生水解反应,最终得不到MgCl2,在HCl气氛中进行,可以抑制MgCl2水解。(3)SO2吸收Br2,发生氧化还原反应,离子方程式为Br2+SO2+2H2O2Br-+4H+SO42-。苦卤中通入Cl2置换出Br2,说明氧化性:Cl2Br2,SO2与Br2反应生成SO42-和Br-,说明氧化性:Br2SO2。(4)根据提供信息可知,Br2与CO32-反应,生成Br-、BrO3-、CO2,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒配平离子方程式。从Br2的CCl4溶液中分离出Br2,用蒸馏的方法。4.(2018陕西汉中一检)草酸镍晶体(NiC2O42H2O)难溶于水,工业上用废镍催化剂(主要成分为Ni,含有一定量的Al2O3、Fe、SiO2、CaO等)制备草酸镍晶体的流程如图所示:已知:相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见下表:金属离子Fe3+Fe2+Al3+Ni2+开始沉淀的pH1.97.63.06.8完全沉淀的pH3.29.75.09.5Ksp(NiC2O4)=4.0510-10(1)“酸浸”前将废镍催化剂粉碎的目的是。“滤渣”的主要成分为。(2)若试剂a为H2O2溶液,写出氧化时反应的离子方程式:。(3)调节pH的范围为。(4)写出“沉钙”操作中加入NH4F时发生反应的离子方程式:,NH4F的电子式为。(5)如果“沉镍”操作后测得滤液中C2O42-的浓度为0.18 molL-1,则溶液中c(Ni2+)=molL-1。(6)将得到的草酸镍晶体在真空中加热至320 分解,可重新制得单质镍催化剂。该制备过程的化学方程式为。答案(1)增大接触面积,提高酸浸速率(其他合理答案亦可)SiO2(2)2Fe2+2H+H2O2 2Fe3+2H2O(3)5.0pH6.8(写出5.06.8亦可)(4)Ca2+2F- CaF2HNHHH+F-(5)2.2510-9(6)NiC2O42H2O Ni+2CO2+2H2O解析(1)SiO2不与稀硫酸反应。(2)酸浸后的溶液中金属阳离子为Al3+、Fe2+、Ca2+、Ni2+,Fe2+可被H2O2氧化为Fe3+。(3)调节溶液pH保证Al3+、Fe3+完全沉淀,Ni2+不沉淀。(4)CaF2难溶于水。(5)Ksp(NiC2O4)=c(Ni2+)c(C2O42-),c(Ni2+)=4.0510-100.18 molL-1=2.2510-9 molL-1。(6)NiC2O42H2O在真空中加热分解,镍元素化合价降低,则碳元素化合价升高,故产物为Ni、CO2、H2O。5.利用水钴矿(主要成分为Co2O3,含少量Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO、CaO、SiO2等)可以制取多种化工产品,以下为草酸钴晶体和氯化钴晶体的制备流程,回答下列问题:已知:浸出液中含有的阳离子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Al3+、Mg2+、Ca2+等。沉淀中只含有两种沉淀。流程中部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表:沉淀物Fe(OH)3Fe(OH)2Co(OH)2Al(OH)3Mn(OH)2开始沉淀的pH2.77.67.63.47.7完全沉淀的pH3.79.69.25.29.8(1)浸出过程中Co2O3发生反应的离子方程式为。(2)NaClO3加入浸出液中发生反应的离子方程式为。(3)加入Na2CO3调pH至5.2,目的是;萃取剂层含锰元素,则沉淀的主要成分为。(4)操作包括:向水层加入浓盐酸调节pH为23,、过滤、洗涤、减压烘干等过程。(5)为测定粗产品中CoCl26H2O的含量,称取一定质量的粗产品溶于水,加入足量硝酸酸化的硝酸银溶液,过滤、洗涤、干燥,测沉淀质量。通过计算发现粗产品中CoCl26H2O的质量分数大于100%,其原因可能是(回答一条原因即可)。(6)将5.49 g草酸钴晶体(CoC2O42H2O)置于空气中加热,受热过程中不同温度范围内分别得到一种固体物质,其质量如下表。温度范围/固体质量/g1502104.412903202.41经测定,整个受热过程中只产生水蒸气和CO2气体,则温度范围为290320 时,剩余的固体物质化学式为。已知:CoC2O42H2O的摩尔质量为183 gmol-1答案(1)Co2O3+SO32-+4H+2Co2+SO42-+2H2O(2)ClO3-+6Fe2+6H+Cl-+6Fe3+3H2O(3)使Fe3+和Al3+沉淀完全CaF2和MgF2(4)蒸发浓缩冷却结晶(5)粗产品中结晶水含量低(或粗产品中混有氯化钠杂质)(6)Co3O4(或CoOCo2O3)解析(1)浸出过程中,Co2O3与盐酸、Na2SO3发生反应,Co2O3转化为Co2+,Co元素化合价降低,则S元素化合价升高,SO32-转化为SO42-,根据得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒配平离子方程式:Co2O3+4H+SO32-2Co2+SO42-+2H2O。(2)NaClO3加入浸出液中,将Fe2+氧化为Fe3+,ClO3-被还原为Cl-,反应的离子方程式为ClO3-+6Fe2+6H+6Fe3+Cl-+3H2O。(3)根据工艺流程图,结合表格中提供的数据可知,加Na2CO3调pH至5.2,目的是使Fe3+和Al3+沉淀完全。滤液中含有的金属阳离子为Co2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+等,萃取剂层含锰元素,结合流程图中向滤液中加入了NaF溶液,可知沉淀的主要成分为MgF2、CaF2。(4)经过操作由溶液得到结晶水合物,故除题中已知过程外,操作还包括蒸发浓缩、冷却结晶。(5)根据CoCl26H2O的组成及测定过程分析,造成粗产品中CoCl26H2O的质量分数大于100%的原因可能是:含有氯化钠杂质或结晶水合物失去部分结晶水,导致相同质量的固体中氯离子含量偏大。(6)整个受热过程中只产生水蒸气和CO2气体,5.49 g CoC2O42H2O为0.03 mol,固体质量为4.41 g时,质量减少1.08 g,恰好为0.06 mol H2O的质量,因此4.41 g固体为0.03 mol CoC2O4。依据原子守恒知,生成的n(CO2)=0.06 mol,m(CO2)=0.06 mol44 gmol-1=2.64 g。而固体质量由4.41 g变为2.41 g时,质量减少2 g,说明290320 内发生的不是分解反应,参加反应的物质还有氧气。则参加反应的m(O2)=2.64 g-2 g=0.64 g,n(O2)=0.02 mol;n(CoC2O4)n(O2)n(CO2)=0.03 mol0.02 mol0.06 mol=326,依据原子守恒,配平化学方程式:3CoC2O4+2O2Co3O4+6CO2,故温度范围为290320 时,剩余固体物质的化学式为Co3O4或CoOCo2O3。6.某研究性学习小组设计如图所示流程,综合处理某工厂印刷电路的废液(含Fe3+、Cu2+、Fe2+、Cl-)和废气(H2S),真正做到了变废为宝:处理废液、废气得到氯化铜、单质硫的同时,还实现了蚀刻液的循环利用。根据以上信息回答下列问题:(1)操作、相同,名称是,所需要的玻璃仪器主要有烧杯、玻璃棒、。(2)通常用来检验蚀刻液中金属阳离子的化学试剂是。(3)向废液中加入过量X时发生的主要反应的离子方程式为。(4)滤渣与Y反应的化学方程式为。(5)H2S通入蚀刻液中发生的主要反应为。(6)电解池中H+在阴极放电产生H2,阳极的电极反应式为。(7)综合分析虚线框内所涉及的两个反应,可知该过程有两个显著优点:蚀刻液得到循环利用;。答案(1)过滤漏斗(2)KSCN溶液(或其他合理答案)(3)2Fe3+Fe3Fe2+、Fe+Cu2+Cu+Fe2+(4)Fe+2HClFeCl2+H2(5)2Fe3+H2S2Fe2+S+2H+(6)Fe2+-e-Fe3+(7)H2S的原子利用率为100%(或其他合理答案)解析(1)操作、都得到滤液和滤渣,所以操作名称是过滤,过滤操作用到的玻璃仪器是烧杯、玻璃棒、漏斗。(2)蚀刻液中主要的金属阳离子是Fe3+,用KSCN溶液或NH4SCN溶液来检验,蚀刻液变成血红色,即可证明蚀刻液中有Fe3+。(3)根据流程图,操作是加入过量的铁,跟溶液中的Fe3+、Cu2+反应,离子方程式是2Fe3+Fe3Fe2+、Fe+Cu2+Fe2+Cu,过滤后滤液是FeCl2溶液,滤渣是Fe和Cu。(4)滤渣中加入过量盐酸,Cu不反应,Fe与盐酸反应生成氯化亚铁和氢气,反应的化学方程式是Fe+2HClFeCl2+H2。(5)向蚀刻液中通入硫化氢气体,发生氧化还原反应,化学方程式是2Fe3+H2S2Fe2+S+2H+。(6)对通入适量H2S后的蚀刻液进行过滤,不溶物是硫,滤液是FeCl2溶液,石墨电极电解FeCl2酸性溶液,氢离子在阴极放电,生成氢气,Fe2+在阳极失去电子生成Fe3+,电极反应式是Fe2+-e-Fe3+。
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