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2020年高考化学提分攻略15 以物质制备为目的的工业流程题

题型15   以物质制备为目的的工业流程题  

 

 

、解题策略

制备类工业流程题在流程上一般可大致分为4个阶段:

无机工艺流程题考虑的问题主要有以下几方面:一是选择将原料转化为产品的生产原理;二是除杂并分离提纯产品;三是提高产量和产率;四是减少污染,注意环保,发展绿色化学;五是考虑原料的来源丰富和经济成本;六是生产设备简单,生产工艺简便等。命题者围绕以上几方面设问,我们的解题思路是:

1)从生产目的()出发,读懂框图(流程)。解答时要看框内,看框外,里外结合;边分析,边思考,易处着手;先局部,后全盘,逐步深入。

2)分析流程中的每一步骤,从几个方面了解流程:A.反应物是什么,B.发生了什么反应,C.该反应造成了什么后果,对制造产品有什么作用。抓住一个关键点:一切反应或操作都是为了获得产品。

3)从问题中获取信息,帮助解题,了解流程后着手答题。对反应条件的分析可从以下几个方面着手:对反应速率有何影响、对平衡转化率有何影响、对综合生产效益有何影响(如可以从原料成本,原料来源是否广泛、是否可再生,能源成本,对设备的要求,环境保护等方面考虑)

 

、题型分类

 

 

 

 

 

【典例12019·课标全国26硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(Mg2B2O5·H2OSiO2及少量Fe2O3Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:

 

回答下列问题:

1)在95 溶浸硼镁矿粉,产生的气体在吸收中反应的化学方程式为____________________________

2滤渣1”的主要成分有________。为检验过滤1”后的滤液中是否含有Fe3离子,可选用的化学试剂是________

3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3H2OHB(OH)4()Ka5.81×1010,可判断H3BO3________酸;在过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是____________________________

4)在沉镁中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为________________

母液经加热后可返回________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是__________________________________________

【答案】(1NH4HCO3NH3===(NH4)2CO3

2SiO2Fe2O3Al2O3 KSCN

3)一元弱 转化为H3BO3,促进析出

42Mg23CO3(2-)2H2O===Mg(OH)2·MgCO32HCO3()(2Mg22CO3(2-)H2O===Mg(OH)2·MgCO3CO2↑) 溶浸 高温焙烧

【解析】

1)硫酸铵溶液中存在平衡:NH4()H2ONH3·H2OH,硼酸镁能与水解出的H反应,促进平衡向右移动,生成的一水合氨浓度增大,因溶液中存在平衡NH3·H2ONH3H2O,一水合氨浓度增大,促进NH3·H2O分解产生NH3。用NH4HCO3溶液吸收氨气,发生的反应为NH4HCO3NH3===(NH4)2CO3

2)二氧化硅、氧化铁、氧化铝不溶于硫酸铵溶液,滤渣1的主要成分是二氧化硅、氧化铁、氧化铝。检验Fe3的试剂可选用KSCN

3)由题给硼酸的解离反应方程式知,硼酸是一元弱酸。过滤2”之前,调节pH≈3.5目的是将硼元素转化为硼酸,促进硼酸析出。

4沉镁中,碳酸铵溶液与硫酸镁溶液发生双水解反应生成碱式碳酸镁:2MgSO42(NH4)2CO3H2O===Mg(OH)2·MgCO32(NH4)2SO4CO2,或者反应生成碱式碳酸镁和碳酸氢盐。母液含硫酸铵,可以将母液返回溶浸工序循环使用,体现绿色化学理念和环境保护思想。碱式碳酸镁转化成轻质氧化镁,联系碳酸镁、氢氧化镁受热都能分解生成氧化镁,也可以联系碱式碳酸铜分解生成氧化铜、水和二氧化碳,可知采用的方法是高温焙烧法,MgCO3·Mg(OH)2高温(=====)2MgOH2OCO2

【典例22019·课标全国26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FeAlMgZnNiSi等元素)制备,工艺如图所示。回答下列问题:

 

相关金属离子[c0(Mn)0.1 mol·L1]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________;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____________________________

3pH”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Zn2Ni2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NiCoMn的化合价分别为+2、+3、+4。当xy3(1)时,z________

【答案】(1SiO2(不溶性硅酸盐) MnO2MnS2H2SO4===2MnSO4S2H2O

2)将Fe2氧化为Fe3

34.7 (4NiSZnS

5FH结合形成弱电解质HFMgF2Mg22F平衡向右移动

6Mn22HCO3()===MnCO3CO2H2O (73(1)

【解析】

1)硫化锰矿中硅元素主要以SiO2或不溶性硅酸盐形式存在,则滤渣1”的主要成分为SSiO2(或不溶性硅酸盐)。结合滤渣1”中含S,可知溶浸MnO2MnS在酸性条件下发生氧化还原反应生成MnSO4S,根据得失电子守恒可配平该反应。

2溶浸后溶液中含Fe2氧化中加入的适量MnO2能将Fe2氧化为Fe3

3pH”除去Fe3Al3时,结合表格中数据信息可知需控制溶液的pH4.76之间。

4除杂1”中加入Na2S能将Zn2Ni2分别转化为沉淀除去,故滤渣3”的主要成分为NiSZnS

5除杂2”FMg2反应生成MgF2沉淀,若溶液酸度过高,则FH结合生成弱电解质HF,导致MgF2(s)Mg2(aq)2F(aq)平衡向右移动,Mg2不能完全除去。

6沉锰Mn2HCO3()反应生成MnCO3并放出CO2,由此可写出离子方程式。

7)化合物LiNixCoyMnzO2中,当xy3(1)时,根据化合价代数和为013(1)3(1)4z2×20,解得z3(1)

 

1.磁性材料产业是21世纪各国竞相发展的高科技支柱产业之一,磁性材料广泛用于电子信息、军事技术等领域。碳酸锰主要用于制备软磁铁氧体,工业上用氯化铵焙烧锰矿粉制备高纯度碳酸锰的工艺流程如下:

 

已知:锰矿粉的主要成分是MnCO3,还含少量FeAlCaMg等元素。
相关金属Mn+离子c(Mn+) ═ 0.1 mol• L -1形成M(OH) n沉淀的pH范围如下:

 

常温下,Ksp(CaF2) ═1.46×10-10  Ksp(MgF2) ═7.42×10-11  Ka(HF) ═1.00 ×10-4

回答下列问题:

1)分析下列图1、图2,氯化铵焙烧锰矿粉的最佳条件是:__________________

 

2焙烧时发生的主要反应的化学方程式为_________________________

3)浸出液净化除杂过程如下:首先加入MnO2Fe2+氧化为Fe3+,反应的离子方程式为__________;再调节溶液的pHAl3+Fe3+变为沉淀除去;然后加入NH4FCa2+Mg2+沉淀除去,此时溶液pH6c(Mg2+)═4.64×10-6 mol·L-1c(HF)_________mol·L-1

4)碳化结晶时,反应的离子方程式为_____________________________________

5)碳化结晶过程中不能用碳酸铵溶液代替碳酸氢铵溶液可能的原因是___________________

6)测定碳酸锰产品的纯度。

称取0.5000 g碳酸锰产品于锥形瓶中,加25.00 mL磷酸,加热,碳酸锰全部转化为[Mn(PO4)2]3-,冷却至室温。加水稀释至100 mL,滴加23滴指示剂,然后用浓度为0.2000 mol·L-1的硫酸亚铁铵[(NH4)2Fe(SO4)2]标准溶液滴定(反应为:[Mn(PO4)2]3- +Fe2+ ═Mn2+ +Fe3++2PO43-)。重复操作3次,记录数据如下表:

滴定次数

0.2000 mol·L-1的硫酸亚铁铵标准溶液读数(mL

滴定前

滴定后

1

0.10

20.20

2

1.32

21.32

3

1.05

20.95

则产品的纯度=__________,若滴定终点时发现滴定管尖嘴处产生了气泡,则测得的碳酸锰粗产品的纯度___(偏高”“ 偏低无影响”)

【答案】(1500 m(NH4Cl)m(锰矿粉)=1.10

2MnCO32NH4ClMnCl22NH3CO2H2O    

3MnO22Fe24H═Mn22Fe32H2O    4.0×10-5    

4Mn22HCO3MnCO3CO2H2O    

5)碳酸根离子水解程度大,碳酸铵溶液中c(OH-)较大,易产生Mn(OH)2沉淀

692.00%    偏低

【解析】将菱锰矿粉(主要成分是MnCO3,还含少量FeAlCaMg等元素)和氯化铵混合研磨后焙烧,反应生成二氧化碳和氨气,因此反应方程式为MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O,浸出,浸出液含有Mn2+Fe2+Al3+Ca2+Mg2+,浸出液需要净化除杂,根据(3)的提示,需要加入MnO2Fe2+氧化为Fe3+,再调节溶液的pHAl3+Fe3+变为Al(OH)3Fe(OH)3沉淀除去,然后加入NH4FCa2+Mg2+CaF2MgF2沉淀除去,净化液中主要溶质为MnCl2NH4Cl,加入碳酸氢铵发生反应:Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O,炭化结晶,过滤,滤饼干燥后得到MnCO3,滤液为NH4Cl溶液,蒸发结晶得到NH4Cl固体,可循环使用,据此分析解答。

1)根据图像可知,锰的浸出率随着温度的升高而增大,随着m(NH4Cl)m(锰矿粉)增大而增大,500m(NH4Cl)m(锰矿粉)=1.10时,锰的浸出率最高,温度过高,m(NH4Cl)m(锰矿粉)再打,浸出率变化不大,成本增加,故焙烧温度取500m(NH4Cl)m(锰矿粉)=1.10即可。

2)将菱锰矿粉(主要成分是MnCO3,还含少量FeAlCaMg等元素)和氯化铵混合研磨后焙烧,反应生成二氧化碳和氨气,因此反应方程式为MnCO3+2NH4ClMnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O

3MnO2Fe2+氧化为Fe3+,离子反应为:MnO2+2Fe2++4H+═Mn2++2Fe3++2H2O;已知:常温下,Ksp(MgF2)═7.42×10-11Ka(HF)═1.00×10-4,溶液pH6c(Mg2+)═4.64×10-6 mol•L-1,则此时c(F-)=mol/L=4×10-3mol/LKa(HF)═=1.00×10-4c(HF)==4.0×10-5mol/L

4)碳化结晶时,反应的方程式为:Mn2++2HCO3- MnCO3↓+CO2↑+H2O

5)碳酸根离子水解程度大,碳酸铵溶液中c(OH-)较大,易产生Mn(OH)2沉淀,故碳化结晶过程中不能用碳酸铵溶液代替碳酸氢铵溶液。

6)根据表格数据,三次消耗硫酸亚铁铵标准溶液的体积(mL)分别为:20.1020.0019.90,消耗的平均体积为20.00 mL,根据关系式:MnCO3Mn(PO4)2]3-(NH4)2Fe(SO4)2,则n(MnCO3)=n(硫酸亚铁铵)=0.2000mol/L×0.02L=0.004mol,产品的纯度为×100%=92.00%;若滴定终点时发现滴定管尖嘴处产生了气泡,则标准液消耗的体积读数偏小,故测得的碳酸锰粗产品的纯度偏低。

2.钛白粉(TiO2)广泛应用于涂料、化妆品、食品以及医药等行业。利用黑钛矿石[主要成分为(Mg0.5Fe0.5)Ti2O5,含有少量Al2Ca(SiO4)2]制备TiO2,工艺流程如下。

 

已知:TiOSO4易溶于水,在热水中易水解生成H2TiO3,回答下列问题:

1(Mg0.5Fe0.5)Ti2O5中钛元素的化合价为________,实验焙烧所需的容器名称是________滤渣的主要成分是________(填化学式)

2)制取H2TiO3的化学方程式为___________________________

3)矿石粒度对TiO2的提取率影响如图,原因是_____________________

 

4)相关的金属难溶化合物在不同pH下的溶解度(smol·L1)如图所示,步骤应该控制的pH范围是________(填标号)

A12   B23  C56 D1011

 

5)常用硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2]滴定法测定钛白粉的纯度,其步骤为:用足量酸溶解a g二氧化钛样品,用铝粉做还原剂,过滤、洗涤,将滤液定容为100 mL,取20.00 mL,以NH4SCN作指示剂,用标准硫酸铁铵溶液滴定至终点,反应原理为:Ti3Fe3===Ti4Fe2

滴定终点的现象为__________________________

滴定终点时消耗b mol· L1 NH4Fe(SO4)2溶液V mL,则TiO2纯度为________(写表达式)

【答案】(1)+4 坩埚 CaSO4CaSiO3

2TiOSO42H2O(=====)H2TiO3H2SO4

3)矿石粒度越小,反应物接触面积越大,反应速率越快

4B

5当滴入最后一滴硫酸铁铵时,溶液变成红色,且30 s内不变回原色 a(40bV)%

【解析】

1)设Ti的化合价为+x(Mg0.5Fe0.5)Ti2O5化合价代数和等于0(2×0.52×0.5)2x2×50x4;灼烧固体用坩埚;黑钛矿石[主要成分为(Mg0.5Fe0.5)Ti2O5,含有少量Al2Ca(SiO4)2]加入NH4HSO4焙烧后,加水过滤,沉淀中含有CaSO4 CaSiO3

2)由TiOSO4水解制备H2TiO3,反应方程式为:TiOSO42H2O(=====)H2TiO3H2SO4

3)由图中变量结合影响反应的速率、转化率的因素,矿石粒度对TiO2的提取率影响,原因是矿石粒度越小,反应物接触面积越大,反应速率越快;

4)由图读出:金属难溶化合物在不同pH下的溶解度(smol·L1),步骤应该控制的pH范围是:钛酸沉淀pH大于2,而氢氧化铝不沉淀,pH小于3,故选B

5铁离子过量时,反应结束,故终点现象为:当滴入最后一滴硫酸铁铵时,溶液变成红色,且30 s内不变回原色;TiO2Fe3关系式,n(TiO2)n(Fe3)b mol· L1×V×103 L×100 mL/20 mL5bV×103 molTiO2纯度为5bV×103 mol×80 g·mol1/a g×100%a(40bV)%

3MnCO3可用作电器元件材料,也可作为瓷釉、颜料的制作原料。工业上用酸性含锰废水(主要含Mn2ClHFe2Cu2)制备MnCO3

 

已知:几种金属离子沉淀的pH如表

金属离子

Fe2

Fe3

Cu2

Mn2

开始沉淀的pH

7.5

3.2

5.2

8.8

完全沉淀的pH

9.7

3.7

6.4

10.4

回答下列问题:

1中加入过量MnO2的作用是___________________________,滤渣W的成分是___________________

2)过程中,调pH的目的是_________________

3)过程中有CO2生成,则生成MnCO3的离子方程式是________________________________

4)过程中得到纯净MnCO3的操作方法是___________________________,该过程中的副产品化学式是________

5MnCO3在空气中加热易转化为不同价态的锰的氧化物,其固体残留率随温度的变化如图所示。则 300 时,剩余固体中n(Mn)n(O)________;图中点D对应固体的成分为_____________________(填化学式)

 

【答案】(1)将Fe2氧化为Fe3 Fe(OH)3和过量的MnO2

2)使Cu2完全沉淀为Cu(OH)2

3Mn22HCO3()===MnCO3CO2H2O

4)过滤、洗涤、干燥 NH4Cl

512 Mn3O4MnO

【解析】(1)在过程中,MnO2在酸性条件下可将Fe2氧化为Fe3,在过程中,向溶液中加入氨水,调节溶液的pH3.7,这时溶液中的Fe3会形成Fe(OH)3沉淀,过量的MnO2也以固体形式存在。(2)过程中,调pH是将Cu2转化为沉淀除去。(3)过程中,反应会有CO2生成,故反应为Mn22HCO3()===MnCO3CO2H2O。(4)过程中得到纯净MnCO3的操作方法是过滤、洗涤、干燥。根据元素守恒,可知副产品为NH4Cl

5MnCO3的物质的量为1 mol,即质量为115 g

A点剩余固体质量为115 g×75.65%87 g

减少的质量为115 g87 g28 g

可知MnCO3失去的组成为CO

n(Mn)n(CO)12,故剩余固体的成分为MnO2

C点剩余固体质量为115 g×61.74%71 g

据锰元素守恒知m(Mn)55 g,则m(O)171 g55 g16 g

n(Mn)n(O)55(55)16(16) 11

故剩余固体的成分为MnO

同理,B点剩余固体质量为115 g×66.38%76.337 g

m(Mn)55 g,则m(O)276.337 g55 g21.337 g

n(Mn)n(O)55(55)16(21.337) 34

故剩余固体的成分为Mn3O4

D点介于BC之间,故D点对应固体的成分为Mn3O4MnO的混合物。

4.一种磁性材料的磨削废料(含镍质量分数约为21%)的主要成分是铁镍合金,还含有铜、钙、镁、硅的氧化物。由该废料制备纯度较高的氢氧化镍的工艺流程如下:

 

回答下列问题:

1合金中的镍难溶于稀硫酸,酸溶时除了加入稀硫酸,还要边搅拌边缓慢加入稀硝酸,反应生成的气体只有N2。写出金属镍溶解的离子方程式:_______

2除铁H2O2的作用是__________,为了证明添加的H2O2已足量,应选择的试剂是__________(铁氰化钾硫氰化钾”)溶液。

3除铜时,反应的离子方程式为__________,若用Na2S代替H2S除铜,优点是__________

4已知除杂过程在陶瓷容器中进行,NaF的实际用量为理论用量的1.1倍,用量不宜过大的原因是__________

5镍氢电池已成为混合动力汽车的主要电池类型,其工作原理如下:M + Ni(OH)2MH + NiOOH(式中M为储氢合金),写出电池放电过程中正极的电极反应式:__________

6已知黄钠铁矾[NaxFey(SO4)m(OH)n]具有沉淀颗粒大、沉淀速率快、容易过滤等特点。某研究小组为测定黄钠铁矾的组成,进行了如下实验:

步骤.称取4.850g黄钠铁矾样品,加盐酸完全溶解后,配成100.00mL溶液A

步骤.量取25.00mL溶液A,加入足量的KI,用0.2500 mol·L1Na2S2O3溶液进行滴定(反应为I2 + 2Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6 ),滴定至终点时消耗30.00mL Na2S2O3溶液。

步骤另取25.00mL溶液A,加足量BaCl2溶液充分反应后,过滤、洗涤、干燥后得沉淀1.165g

Na2S2O3溶液进行滴定时,使用的指示剂为__________,滴定达到终点时的颜色变化为__________

黄钠铁矾的化学式为 __________

【答案】15Ni+12H++2NO3= 5Ni2++N2↑+6H2O    

2Fe2+氧化为Fe3+    铁氰化钾    

3H2S+Cu2+=CuS↓+2H+    无易挥发污染性气体H2S产生    

4过量的F会生成氢氟酸腐蚀陶瓷容器    

5NiOOH + H2O + e= Ni(OH)2 + OH    

6)①淀粉溶液    当溶液蓝色恰好褪去,且半分钟内不再恢复    NaFe3(SO4)2(OH)6  

【解析】

1已知Ni难溶于稀硫酸,酸溶时除了加入稀硫酸,还边搅拌边缓慢加入了稀硝酸,反应有N2生成,则Ni溶解的离子方程式:5Ni+12H++2NO3= 5Ni2++N2↑+6H2O

2H2O2具有氧化性,除铁时加入H2O2可将酸溶后溶液中的Fe2+氧化为Fe3+。为证明添加的H2O2已足量,可选择铁氰化钾溶液进行检验:若H2O2用量不足,溶液中残余的Fe2+会与铁氰化钾溶液反应产生蓝色沉淀;反之可说明H2O2足量;

3据流程图可知,除铜时加入的沉淀剂为H2S,对应的离子方程式为H2S+Cu2+=CuS↓ + 2H+;若用Na2S代替H2S除铜,不产生易挥发污染性气体H2S

4已知除杂过程在陶瓷容器中进行,且据流程图可知除铜后的滤液应显酸性,所以若NaF的用量过大,过量的F会生成氢氟酸腐蚀陶瓷容器;

5镍氢电池放电时,正极上NiOOH得电子发生还原反应,电极反应式为NiOOH + H2O + e= Ni(OH)2 + OH

6)①滴定过程中,有碘单质参与反应,故应选择淀粉溶液做指示剂;滴定达到终点时的颜色变化为:溶液蓝色恰好褪去,且半分钟内不再恢复;

加入足量的KI,反应为2Fe3++2I= 2Fe2++I2,根据I22Na2S2O32NaINa2S4O6得出关系式为:Fe3+~Na2S2O3,则100.00mLn(Fe3+)=0.25mol/L×0.03L×10 = 0.03mol1.165g为硫酸钡,则100.00mL,则ym=32m(Fe3+)+m(SO42) =1.68g+1.92g = 3.6gm(Na+)+m(OH)=4.850g3.6g=1.25g,根据化合价代数和为0可得,n(Na+)+n(OH)=0.07mol,解得n(Na+)=0.01moln(OH) =0.06mol,则xymn=1:3:2:6,故黄钠铁矾的化学式为NaFe3(SO4)2(OH)6

 


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