高中化学专题11 工业流程（原卷版）

专题11   工艺流程

1．(14分) 下面是某科研小组利用废铁屑还原浸出软锰矿(主要成分为MnO2)制备硫酸锰及电解其溶液制锰的工艺流程图：

已知：①浸出液中主要含有Fe3＋、Fe2＋、Co2＋、Ni2＋等杂质金属离子；

②生成氢氧化物的pH见下表：

请回答下列问题：

（1）“酸浸”前将原料粉碎的目的是_________________________。

（2）流程图中“①加入MnO2”的作用_________________________，MnO2还可以用其他试剂_________________________(填化学式)代替。

（3）流程图中“②调节pH”可以除去某种金属离子，应将溶液pH调节控制的范围是___～7.6。上述流程中，能循环使用的一种物质是___(填化学式)。

（4）向滤液Ⅰ中加入MnS的作用是除去Co2＋、Ni2＋等离子，其中可以发生反应为MnS(s)＋Ni2＋(aq)=NiS(s)＋Mn2＋(aq)等。当该反应完全后，滤液2中的Mn2＋与Ni2＋的物质的量浓度之比是__________[已知Ksp(MnS)＝2.8×10－10，Ksp(NiS)＝2.0×10－21]。

（5）在适当条件下，在MnSO4、H2SO4和H2O为体系的电解液中电解也可获得MnO2，其阳极电极反应式为_______________________________________。

（6）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Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。当x=y=时，z=__________。

2．(14分) 细菌冶金是近年来新兴的绿色冶金工艺，它主要是应用细菌法溶浸贫矿、废矿、尾矿和炉渣等，以回收某些贵重有色金属和稀有金属，节约矿产资源，最大限度地利用矿藏的一种冶金方法。其中细菌治铜的生产流程为：

（1）上述生产流程中有三步用到了同一种分离方法，实验室中不能用这种分离方法来分离液态胶体中分散质的原因是________________________。

（2）绿矾(FeSO4·7H2O)是一种良好的还原剂，也可用来制取治疗缺铁性贫血的药剂和食品调味剂。在保存绿矾时，必须___。在溶液B中加入适量(NH4)2(SO4)2固体，加热浓缩时，可以得到(NH4)2Fe(SO4)4·6H2O的原因是________________________。

（3）溶液B中一定含有的金属阳离子是________________________。若在溶液A中加入少量铁屑只发生其中的一个反应，则此反应的平衡常数的表达式为__________。

（4）写出黄铜矿中的CuS·FeS在氧化亚铁硫杆菌作用下被空气氧化生成溶液A的离子方程式：________________________。

（5）氧化亚铜可用作船底防污漆，以杀死低级海生动物而保护船体，也可用作陶瓷和搪瓷的着色剂和红色玻璃的染色剂，氧化亚铜也是一种重要的半导体材料。请用浓的强碱溶液，根据反应2Cu+H2OCu2O+H2↑，设计出工业生产氧化亚铜的一种方法：__________(只要求画实验装置图，其他必要材料任选)。

3．(14分)2019年1月7日于深圳，华为宣布推出鲲鹏920芯片，创造了计算性能新记录！组成芯片的核心物质是高纯度硅。下图是以石英砂为原料同时制备硅和金属锂。

已知：LiCl的熔点是605℃、沸点是1350℃；NH4Cl在100℃开始挥发，337.8℃分解完全。常温下，Ksp[Fe(OH)3]=2.64×10－39，Ksp[Al(OH)3]=1×10－33。

（1）粗硅中常含有副产物SiC，请写出反应①中生成SiC的反应方程式______________。

（2）整个制硅过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水能发生剧烈反应，写出该反应的化学方程式         。

（3）假设每一轮次制备1mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应②中HCI的利用率为90%，反应③中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HC1和H2的物质的量之比是        。

（4）试剂X是______；请写出操作名称：a_____；b_______。

（5）本生产工艺要求，要控制LiCl和NH4Cl溶液中的杂质离子浓度在1.0×10－6mol·L－1以下，应控制溶液的pH为_____，此时溶液中Fe3+的浓度为_______。

4．(14分) Ba(NO3)2可用于生产烟花。某主要生产 BaCl2、BaCO3、BaSO4 的化工厂利用某种钡泥[主要含有 BaCO3、Ba(FeO2)2、极少量 CuCO3 等]制取 Ba(NO3)2 晶体，其部分工艺流程如下：

已知：Fe3+和Fe2+以氢氧化物形式沉淀完全时，溶液的 pH 分别为 3.2 和 9.7。

（1）酸溶时通常不使用浓硝酸的原因是__________。

（2）酸溶后溶液中pH=1，Ba(FeO2)2 与HNO3 的反应化学方程式为____________。

（3）该厂结合本厂实际，中和选用的 X 为__________(填化学式)；中和使溶液中__________(填离子符号)的浓度减少(中和引起的溶液体积变化可忽略)。

（4）滤液得到 Ba(NO3)2 晶体的操作依次为_____、过滤。

（5）该厂生产的 Ba(NO3)2 晶体含有少量 Cu2+ ，可通过洗涤的方法除去。证明晶体已经洗涤干净的操作方法是____________________________________________。

（6）Ba2+致死量为355mg/kg。误食Ba2+可以服用MgSO4 溶液解毒，涉及到的离子反应方程式为___________； 为了减少环境污染，请对上述流程中不合理的设计进行改进，改进措施是_____________________________________________________。

5．(14分) 二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料，工业上以软锰矿、菱锰矿为原料来制备。某软锰矿主要成分为MnO2，还含有Si(16.27%)、Fe(5.86%)、Al(3.42%)、Zn(2.68%)和Cu(0.86%)等元素的化合物，其处理流程图如下：

（1）硫酸亚铁在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为____________________________________。

（2）“氨水、搅拌”，其中“搅拌”不仅能加快反应速率，还能_________________________；滤渣A的成分是Fe(OH)3、Al(OH)3，加入氨水需调节pH 至少达到____________，恰好能使Fe3+、A13+沉淀完全。(当离子浓度降到1.0×10-5mol·L-1时即视为沉淀完全)

（3）滤渣B的成分是___________________。

（4）MnO2也可在MnSO4-H2SO4-H2O为体系的电解液中电解获得，其阳极电极反应式为_____________________________________________________。

（5）工业上采用间接氧化还原滴定法测定MnO2纯度，其操作过程如下：准确称量0.9200g该样品，与足量酸性KI 溶液充分反应后，配制成100mL溶液。取其中20.00mL，恰好与25.00mL 0.0800mol·L-1Na2S2O3溶液反应(I2+2S2O32-=2I-+S4O62-)。计算可得该样品纯度_____%。(小数点后保留1位数字)。

6．(14分) 钴酸锂废极片中钴回收的某种工艺流程如下图所示，其中废极片的主要成分为钴酸锂(LiCoO2)和金属铝，最终可得到Co2O3及锂盐。

（1） “还原酸浸”过程中，大部分LiCoO2可转化为CoSO4，请将该反应的化学方程式补充完整：2LiCoO2+3H2SO4+□      ==□CoSO4+□      +□      + □      。

（2） “还原酸浸”过程中，Co、Al浸出率(进入溶液中的某元素质量占固体中该元素总质量的百分数)受硫酸浓度及温度(t)的影响分别如图1和图2所示。工艺流程中所选择的硫酸浓度为2 mol.L-1，温度为80 oC，推测其原因是_______________。

A．Co的浸出率较高                B．Co和Al浸出的速率较快

C．Al的浸出率较高                 D．双氧水较易分解

（3）加入(NH4)2C2O4后得CoC2O4沉淀。写出CoC2O4沉淀在空气中高温煅烧得到Co2O3的反应的化学方程式：_____________________________。

（4）若初始投入钴酸锂废极片的质量为1 kg，煅烧后获得Co2O3的质量为83 g，已知Co的浸出率为90%，则钴酸锂废极片中钴元素的质量分数约为________(小数点后保留两位)。

（5）已知“沉锂”过程中，滤液a中的c(Li+)约为10-1 mol·L-1，部分锂盐的溶解度数据如下表所示。

结合数据分析，沉锂过程所用的试剂b是________(写化学式)，相应的操作方法：向滤液a中加入略过量的试剂b，搅拌，_______________，洗涤干燥。

7．(14分) 软锰矿(主要成分为MnO2，还含有少量的Fe2O3、FeO、Al2O3和SiO2)为原料制备马日夫盐[Mn(H2PO4)2·2H2O(磷酸二氢锰)]的主要工艺流程如图：

（1）用MnO2“氧化”时发生反应的离子方程式为________________________。

（2）如何检验“沉锰”己完成___________________________________。

（3）铁离子的萃取率与接触时间和溶液的pH之间的关系如图1、2所示，则应选择的接触时间为_______；pH>1.7，铁离子的萃取率急剧下降的原因可能为____________________。

（4）结合图3的溶解度曲线，请补充完整由浸锰得到的溶液制备MnSO4·H2O的实验方案：边搅拌边向溶液中滴加适量的双氧水，再向滤液中加入MnCO3粉末调节溶液的pH范围为_________，过滤洗涤，将滤液与洗涤液合并，控制温度在80℃～90℃之间蒸发浓缩、______________，(填操作名称)得到MnSO4·H2O，用80℃～90℃的蒸馏水洗涤2～3次，放在真空干燥箱中低温干燥。[已知该溶液中pH=7.8时Mn(OH)2开始沉淀：pH=5.0时Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀完全，pH=8.8时Fe(OH)2沉淀完全]。

8．(14分)某科研小组利用工业废料(主要成分NiO，含有少量Al2O3、FeO、CuO、BaO)回收NiO，并制备其他部分产品的工艺流程如下：

已知：①溶液中离子浓度小于等于1.0×10-5 mol·L-1时，认为该离子沉淀完全。

②25℃时，部分难溶物的溶度积常数如下表所示：

请回答下列问题：

（1）H2S的电子式为_______________________________。

（2）“酸浸”时，Ni的浸出率与温度的关系如图所示。 温度高于70℃，Ni的浸出率降低的主要原因为___________________________________________________________。

（3）“沉淀1”的主要成分为____________________(填化学式)。

（4）“滤液1”中通入H2S的作用为___________________。

（5）“转化”过程中，发生反应的主要离子方程式为________________________。

（6）25℃时，“调节pH2”使沉淀3中金属阳离子沉淀完全后，所得溶液中的c(H+)最大为____________(保留三位有效数字，已知≈1.4)。

（7）“操作I”主要包括蒸发浓缩、__________________、过滤、洗涤、干燥。

（8）NiO可通过铝热反应冶炼Ni，该反应的化学方程式为_________________________。

9．(14分)利用废碱渣(主要成分为Na2CO3)处理硫酸厂尾气中的SO2，可制得无水Na2SO3(成品)，其流程如图所示。

（1）某硫酸厂排放出的尾气中SO2的含量特别髙，而废碱渣的量不足，此时“吸收塔”内发生反应的离子方程式为_______________(不考虑H2O与SO2反应)。

（2）亚硫酸钠的溶解度曲线如图所示，则上述流程中“结晶”的方法是___________(填“蒸发结晶”或“降温结晶”)，图中a点所示分散系类别为_________(填“浊液”“胶体”或“溶液”)。

（3）仅用BaCl2、H2O2和过量稀盐酸的混合溶液难以检出“成品”中的SO32-，原因是“成品”中含有某种杂质阴离子。

①该杂质阴离子为________________(填离子符号)。

②25℃时，部分钡盐的Ksp如下表所示。

将得到的“成品”溶于水，测得溶液中SO32-的浓度为0.5mol • L-1，为杂质阴离子浓度的10倍，向该溶液中加入等体积、0.5mol·L-1的BaCl2溶液，充分反应后c(Ba2+)=_______mol • L-1。(混合时溶液体积的变化忽略不计)

（4）某同学采用如下方法检验SO32-：

①洗涤时使用的试剂最好为____________(填字母)。

a.稀HNO3    b.蒸馏水       c.稀H2SO4

②根据上述流程中的数据(w、x、y)_____________    (填“能”或“不能”)计算出成品试样中SO32-的百分含量，若能，则SO32-的百分含量为              (若不能，则此空不填)；若不能，则理由是_____________(若能，则此空不填)。