高三化学每天练习20分钟——V、Cr、Mn、Co、Ni单质及其化合物的制备工业流程（有答案和详细解析）

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1．(2019·大庆质检)某钒铅锌矿主要含有PbO、ZnO、CaO、V2O5等物质，工业上常用碱性熔炼法回收铅、锌、钒等金属，工艺流程如图1所示：
已知：钒酸铵(NH4VO3)加热至700 K可制得纯度较高的V2O5。
(1)流程中操作Ⅰ的名称是________，实验室进行此项操作用到的玻璃仪器主要有_____________________________________________________________________________。
(2)生成金属铅的化学方程式为___________________________________________________。
(3)熔炼过程中，若纯碱过量，将使更多的锌元素以Na2ZnO2的形式进入到碱熔渣中，此过程的化学方程式为______________________________________________________________。
(4)焦炭用量对还原熔炼效果的影响如图2所示。分析图像可知，焦炭用量应取矿石质量的________较为合适。
(5)钒浸出过程中，液固比(液体质量∶固体质量)对钒浸出率的影响如图3所示。分析图像可知，浸出过程的液固比取2∶1为宜，理由是__________________________________________
______________________________________________________________________________。
(6)为制取纯度更高的V2O5，往含钒浸出液(主要为NaVO3)中加NH4Cl溶液，可获得________晶体。
(7)实验室称取50 g碱熔渣(钒的质量分数为7.5%)，水浸，获得V mL V2O5浓度达60 g·L－1的浸出液，则矾的浸出率为_____________________________________________(列计算式)。
2．(2020·绵阳高三质检)元素铬(Cr)在自然界主要以＋3价和＋6价存在。回答下列问题：
Ⅰ.＋6价的Cr能引起细胞的突变而对人体不利，可以用亚硫酸钠将其还原为＋3价的Cr。完成并配平下列离子方程式：
eq \x( )Cr2Oeq \\al(2－,7)＋eq \x( )SOeq \\al(2－,3)＋eq \x( )________===eq \x( )Cr3＋＋eq \x( )SOeq \\al(2－,4)＋eq \x( )H2O
Ⅱ.(1)工业上利用铬铁矿(FeO·Cr2O3)冶炼铬的工艺流程如图所示：
a．操作①中为加快焙烧速率和提高原料的利用率，可采取的措施是__________________
__________________________________________________________________(答一条即可)。
b．浸出液的主要成分为Na2CrO4，向滤液中加入盐酸酸化的氯化钡溶液有白色沉淀生成，则操作③发生反应的离子方程式为________________________________________________。
c．由Cr2O3冶炼Cr可用铝还原，写出该反应的化学方程式：____________________________。
(2)Cr(OH)3和Al(OH)3类似，也是两性氢氧化物，写出Cr(OH)3溶于浓氢氧化钠溶液的离子方程式：_____________________________________________________________________。
(3)以铬酸钠(Na2CrO4)为原料，用电化学法可制备重铬酸钠(Na2Cr2O7)，实验装置如图所示(已知：2CrOeq \\al(2－,4)＋2H＋Cr2Oeq \\al(2－,7)＋H2O)。
①阴极的电极反应式为__________________________________________________________。
②电解一段时间后，测得阳极区溶液中Na＋物质的量由a ml变为b ml，则此时铬酸钠的转化率为______________________________________________________________________。
3．(2019·长春质检)干电池是日常生活中常用的电池，原料为Zn和MnO2。某工厂用软锰矿(含MnO2约70%及杂质Al2O3)和闪锌矿(含ZnS约80%及少量FeS杂质)共同生产。流程如下：
已知：①A是ZnSO4、MnSO4、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3的混合液。
②Ⅳ中反应的方程式为MnSO4＋ZnSO4＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))MnO2＋Zn＋2H2SO4。
(1)混合物A中，属于还原产物的是________(填化学式)。
(2)加入X的作用是_____________________________________________________________。
已知溶液中各离子开始沉淀的pH如上表所示，则加入X后，溶液pH应调整到____(填字母)。
A．4.5 B．6.0 C．7.5 D．9.0
步骤Ⅱ加热的原因是____________________________________________________________。
适宜作为X加入步骤Ⅱ的物质为________(填字母)。
A．MnCO3 B．Zn2(OH)2CO3
C．NaOH D．KOH
(3)生产过程中除矿石外，还有哪些原料需要购买？_________________________________
____________________________________________________________________(填化学式)。
(4)若要从步骤Ⅳ的过滤中得到芒硝晶体(Na2SO4·10H2O)，则需要进行的实验操作有________、________、过滤、洗涤、干燥等。
(5)从生产角度看，生成Zn和MnO2的物质的量相等时，经济效益最高，此时原料软锰矿和闪锌矿的投料质量的比值大约是________(结果保留两位小数)。
4．(2020·济南联考)碱式碳酸钴用作催化剂及制钴盐原料，陶瓷工业着色剂，电子、磁性材料的添加剂。利用以下装置测定碱式碳酸钴[Cx(OH)y(CO3)z·H2O]的化学组成。
已知：碱式碳酸钴中钴为＋2价，受热时可分解生成三种氧化物。
请回答下列问题：
(1)选用以上装置测定碱式碳酸钴[Cx(OH)y(CO3)z·H2O]的化学组成，其正确的连接顺序为a→b→______________(按气流方向，用小写字母表示)。
(2)样品分解完，打开止水夹K，缓缓通入氮气数分钟，通入氮气的目的是______________。
______________________________________________________________________________
(3)取碱式碳酸钴样品34.9 g，通过实验测得分解生成的水和二氧化碳的质量分别为3.6 g、8.8 g，则该碱式碳酸钴的化学式为__________________。
(4)某兴趣小组以含钴废料(含少量Fe、Al等杂质)制取CCl2·6H2O的一种实验设计流程如下：
已知：25 ℃时
①操作Ⅰ用到的玻璃仪器主要有__________________________________________________；
②加盐酸调pH为2～3的目的是__________________________________________________；
③操作Ⅱ的过程为____________________________________________________、洗涤、干燥。
5．(2020·呼和浩特调研)某含镍(Ni)废催化剂中主要含有Ni，还含有Al、Al2O3、Fe及其他不溶于酸、碱的杂质。部分金属氢氧化物Ksp近似值如下表所示：
已知溶液中金属离子浓度不大于10－5 ml·L－1时，视为沉淀完全。
现用含镍废催化剂制备NiSO4·7H2O晶体，其流程图如下：
回答下列问题：
(1)“碱浸”时发生反应的离子方程式为Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O，____vv_________
_____________________________________________________________________________。
(2)“酸浸”所使用的酸为_______________________________________________________。
(3)“净化除杂”需加入H2O2溶液，其作用是__________________________________。然后调节pH使溶液中铁元素恰好完全沉淀，列式计算此时的pH：_________________________
______________________________________________________________________________。
(4)“操作A”为________________、过滤、洗涤、干燥，即得产品。
(5)NiSO4在强碱性溶液中可被NaClO氧化为NiOOH，该反应的离子方程式为_____________
______________________________________________________________________________。
(6)NiOOH可作为镍氢电池的电极材料，该电池的工作原理如下图所示，其放电时，正极的电极反应式为__________________________________________________________________。
答案精析
1．(1)过滤 漏斗、烧杯、玻璃棒 (2)PbO＋COeq \(=====,\s\up7(△))Pb＋CO2
(3)Na2CO3＋ZnOeq \(=====,\s\up7(△))Na2ZnO2＋CO2↑ (4)10% (5)液固比为2∶1时，钒浸出率在97.0%以上，再进一步增大液固比，钒浸出率提高不明显，而且还会导致浸出用水量、废水排放量的增大等 (6)NH4VO3 (7)eq \f(V×10－3×60×\f(102,182),50×7.5%)×100%
解析 (6)由已知条件“钒酸铵(NH4VO3)加热至700 K可制得纯度较高的V2O5”，可知获得的是NH4VO3晶体。(7)获得的浸出液中含矾60×V×10－3×eq \f(102,182) g，碱熔渣中含钒50×7.5% g，则钒的浸出率为eq \f(V×10－3×60×\f(102,182),50×7.5%)×100%。
2．Ⅰ.1 3 8 H＋ 2 3 4
Ⅱ.(1)a.将铬铁矿粉碎(或其他合理措施)
b．8CrOeq \\al(2－,4)＋3S2－＋20H2O===8Cr(OH)3↓＋3SOeq \\al(2－,4)＋16OH－
c．Cr2O3＋2Aleq \(=====,\s\up7(高温))2Cr＋Al2O3
(2)Cr(OH)3＋OH－===CrOeq \\al(－,2)＋2H2O
(3)①2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
②eq \f(2a－b,a)×100%
解析 (3)②根据2CrOeq \\al(2－,4)＋2H＋Cr2Oeq \\al(2－,7)＋H2O，阳极区Na＋减少的量，即是上述反应消耗H＋的量，迁移的Na＋为(a－b) ml，则转化的铬酸钠也为(a－b) ml，铬酸钠的转化率为eq \f(a－b,\f(a,2))×100%＝eq \f(2a－b,a)×100%。
3．(1)MnSO4 (2)增大溶液的pH，使Fe3＋和Al3＋均生成沉淀 B 促进Fe3＋和Al3＋水解 AB
(3)Na2CO3和H2SO4 (4)蒸发浓缩 冷却结晶
(5)1.03
解析 (5)MnO2、Zn的物质的量之比为1∶1时，设软锰矿、闪锌矿的质量分别为x g、y g，根据原子守恒有eq \f(x×70%,87)∶eq \f(y×80%,97)＝1∶1，解得eq \f(x,y)≈1.03。
4．(1)j→k→c→d(或d→c)→e
(2)将装置中生成的H2O(g)和CO2全部排入戊、乙装置中
(3)C3(OH)2(CO3)2·H2O
(4)①烧杯、漏斗、玻璃棒 ②抑制CCl2的水解 ③蒸发浓缩、冷却结晶、过滤
解析 (3)生成的水的质量为3.6 g，物质的量为eq \f(3.6,18) ml＝0.2 ml，生成的CO2的质量为8.8 g，物质的量为eq \f(8.8,44) ml＝0.2 ml，碱式碳酸钴的质量为34.9 g，氧化亚钴的质量为34.9 g－3.6 g－8.8 g＝22.5 g，其物质的量为eq \f(22.5,75) ml＝0.3 ml，N(C)∶N(H)∶N(C)＝0.3∶(0.2×2)∶0.2＝3∶4∶2，化学式为C3(OH)2(CO3)2·H2O。(4)①操作Ⅰ为过滤，用到的玻璃仪器主要有烧杯、漏斗、玻璃棒。②加盐酸调pH为2～3的目的是抑制CCl2的水解。③从溶液中得到CCl2·6H2O晶体需要蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。
5．(1)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑
(2)稀硫酸(或硫酸、H2SO4)
(3)将Fe2＋氧化为Fe3＋ c3(OH－)＝eq \f(Ksp[FeOH3],cFe3＋)＝eq \f(10－39,10－5)＝10－34，c(OH－)≈10－11.3 ml·L－1，则c(H＋)＝eq \f(Kw,cOH－)＝10－2.7 ml·L－1，pH＝2.7
(4)冷却结晶
(5)2Ni2＋＋ClO－＋4OH－===2NiOOH↓＋Cl－＋H2O
(6)NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－
离子
开始沉淀pH
完全沉淀pH
Fe3＋
2.3
3.2
Al3＋
4.2
5.4
Zn2＋
7.2
8.0
Mn2＋
8.3
9.8
沉淀物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
C(OH)2
Al(OH)3
开始沉淀pH
1.9
7.0
7.6
3.4
完全沉淀pH
3.2
9.0
9.2
4.7
化学式
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Al(OH)3
Ni(OH)2
Ksp近似值
10－17
10－39
10－34
10－15