第3章 物质在水溶液中的行为 专题强化练4　工艺流程题

专题强化练4　工艺流程题

1.(2020广东惠州期末,)钛铁矿的主要成分为FeTiO3(可表示为FeO·TiO2),含有少量MgO、CaO、SiO2等杂质。利用钛铁矿制备锂离子电池电极材料(钛酸锂Li4Ti5O12和磷酸亚铁锂LiFePO4)的工业流程如下图所示:

已知:FeTiO3与盐酸反应的离子方程式为FeTiO3+4H++4Cl- Fe2++TiOC+2H2O。

(1)化合物FeTiO3中铁元素的化合价是　　　　。 

(2)滤渣A的成分是　　　　。 

(3)滤液B中TiOC转化生成TiO2的离子方程式是　　　　　　　　　　。 

(4)反应②中固体TiO2转化成(NH4)2Ti5O15溶液时,Ti元素的浸出率与反应温度的关系如下图所示。反应温度过高时,Ti元素浸出率下降的原因是        　。 

(5)反应③的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(6)若采用钛酸锂(Li4Ti5O12)和磷酸亚铁锂(LiFePO4)作电极组成电池,其工作原理为Li4Ti5O12+3LiFePO4 Li7Ti5O12+3FePO4。该电池充电时阳极反应式是　　。 

2.[2020福建福州八县(市)期末联考,]某科研小组设计出利用工业废酸(10% H2SO4溶液)来堆浸某废弃的氧化铜锌矿,提取锌、铜元素,实现废物综合利用,方案如图所示:

已知各离子常温下开始沉淀及完全沉淀时的pH如表所示:

请回答下列问题:

(1)加入A物质的目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　,物质A可使用下列物质中的　      (填序号)。

A.KMnO4　　　B.O2　　　C.H2O2　　　D.Cl2

(2)氧化铜锌矿中含有少量的CuS和ZnS,在H2SO4的作用下ZnS可以溶解而CuS不溶,则相同温度下Ksp(CuS)　　　(填“>”“<”或“=”)Ksp(ZnS)。 

(3)反应生成海绵铜的离子方程式:          　。 

(4)除铁过程中加入氨水的目的是调节溶液的pH,常温下pH应控制在　　　　。 

(5)写出NH4HCO3与Zn2+反应生成Zn2(OH)2CO3的离子方程式:　     。 

(6)物质B可用作生产化肥,其化学式是　　　。 

3.(2020广东汕头潮阳期末,)锑(Sb)及其化合物在工业上有许多用途。以辉锑矿(主要成分为Sb2S3,还含有PbS、As2S3、CuO、SiO2等)为原料制备金属锑的工艺流程如图所示:

已知:①“浸出液”中除含过量盐酸和SbCl5之外,还含有SbCl3、PbCl2、AsCl3、CuCl2等;

②常温下,Ksp(CuS)=1.27×10-36 mol2/L2,Ksp(PbS)=9.04×10-29 mol2/L2;

③溶液中离子浓度小于或等于1.0×10-5 mol/L时,认为该离子沉淀完全。

(1)“滤渣1”中除了S之外,还有　　　　　(填化学式)。 

(2)“浸出”时,Sb2S3发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　。 

(3)该工艺流程能实现循环利用的是          (填化学式)。

(4)常温下,“除铜、铅”时,Cu2+和Pb2+均沉淀完全,此时溶液中的c(S2-)不低于　　　　　　。所加Na2S也不宜过多,其原因为　　　　　　　　。 

(5)“除砷”时有H3PO3生成,该反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　。 

(6)“电解”时,被氧化的Sb元素与被还原的Sb元素的质量之比为　　　　。 

答案全解全析

1.答案　(1)+2　(2)SiO2　(3)TiOC+H2O TiO2↓+2H++4Cl-

(4)反应温度过高时,过氧化氢、一水合氨会受热分解,使得Ti元素浸出率下降　(5)(NH4)2Ti5O15+2LiOH Li2Ti5O15+2NH3↑+2H2O　(6)LiFePO4-e- FePO4+Li+

解析　(1)据题给信息知,FeTiO3可表示为FeO·TiO2,所以化合物FeTiO3中铁元素的化合价是+2。

(2)钛铁矿的主要成分为FeTiO3(可表示为FeO·TiO2),含有少量MgO、CaO、SiO2等杂质,加入盐酸只有二氧化硅不反应,所以滤渣A是SiO2。

(3)TiOC转化生成TiO2,氧不够,由水提供,氢离子被释放,Cl以氯离子形式存在于溶液中,所以反应的离子方程式为TiOC+H2O TiO2↓+2H++4Cl-。

(4)二氧化钛与氨水、双氧水反应生成(NH4)2Ti5O15时,温度过高,过氧化氢和一水合氨都易分解,所以反应温度过高时,Ti元素浸出率下降。

(5)由流程图可知,反应过程中Ti5与Li+结合,剩余铵根离子与氢氧根离子结合,反应的化学方程式为(NH4)2Ti5O15+2LiOH Li2Ti5O15+2NH3↑+2H2O。

(6)阳极发生氧化反应,据总反应可得,充电时的阳极反应式为LiFePO4-e- FePO4+Li+。

2.答案　(1)将Fe2+氧化成Fe3+,方便后续沉淀时除去　BC

(2)<　

(3)Fe+Cu2+ Fe2++Cu

(4)3.2≤pH<6.2(或3.2~6.2)

(5)2Zn2++4HC Zn2(OH)2CO3↓+H2O+3CO2↑

(6)(NH4)2SO4

解析　(1)根据题表中数据可知三价铁离子容易除去,所以要将Fe2+氧化成Fe3+,以便除去,除铁过程中加入A和氨水,使亚铁离子变成氢氧化铁沉淀,故A应为氧化剂,考虑不引入新的杂质,应选B、C。

(2)相同条件下,同一类型的电解质溶解度大的先溶解,因在H2SO4的作用下ZnS可以溶解而CuS不溶,则相同温度下Ksp(CuS)<Ksp(ZnS)。

(3)堆浸后溶液中有铜离子和氢离子,加入铁粉后铁与铜离子和氢离子反应,反应生成海绵铜的离子方程式为Fe+Cu2+ Fe2++Cu。

(4)由题表数据可知,常温下铁离子完全沉淀时的pH为3.2,锌离子开始沉淀时的pH为6.2,故除铁时pH应控制的范围为3.2~6.2。

(5)NH4HCO3与Zn2+反应生成Zn2(OH)2CO3、水和二氧化碳,离子方程式为2Zn2++4HC Zn2(OH)2CO3↓+H2O+3CO2↑。

(6)因所用废酸为硫酸,沉淀Zn2+操作中引入了N,B又可作化肥,所以B为(NH4)2SO4。

3.答案　(1)SiO2

(2)Sb2S3+3SbCl5 5SbCl3+3S

(3)SbCl5、Sb

(4)9.04×10-24 mol/L　产生H2S等污染性气体或生成Sb2S3

(5)2As3++3P+3H++3H2O 2As↓+3H3PO3

(6)3∶2

解析　辉锑矿(主要成分为Sb2S3,还含有PbS、As2S3、CuO、SiO2等)加入盐酸“浸出”得“浸出液”,“浸出液”中除含过量盐酸和SbCl5之外,还含有SbCl3、PbCl2、AsCl3、CuCl2等,“滤渣1”中除了生成的S之外,还有未溶解的二氧化硅,“浸出液”中加入Sb还原SbCl5,生成SbCl3,加入Na2S时保证Cu2+和Pb2+均沉淀完全,过滤得到的“滤渣2”为CuS、PbS,滤液中加入Na3PO2除砷,反应生成亚磷酸、NaCl和砷单质,过滤得到含SbCl3溶液,电解SbCl3溶液可得Sb。

(1)根据以上分析可知“滤渣1”中除了S之外,还有SiO2。

(2)“浸出”时,Sb2S3和SbCl5在HCl溶液中发生氧化还原反应,生成单质硫和SbCl3,根据原子守恒及得失电子守恒,可得反应的化学方程式为Sb2S3+3SbCl5 5SbCl3+3S。

(3)根据流程图可知用Sb还原SbCl5生成SbCl3,最后电解SbCl3溶液得到Sb单质及SbCl5,SbCl5又用于开始时溶解辉锑矿粉,所以可以循环利用的物质有SbCl5、Sb。

(4)常温下,“除铜、铅”时,Cu2+和Pb2+均沉淀完全,当Pb2+全部沉淀时,Cu2+沉淀完全,溶液中某离子浓度小于或等于1.0×10-5 mol/L时,认为该离子沉淀完全,此时溶液中的c平(S2-)≥= mol/L=9.04×10-24 mol/L,Na2S也不宜过多,否则会产生H2S等污染性气体或生成Sb2S3。

(5)滤液中加入Na3PO2溶液除砷,生成亚磷酸、NaCl和砷单质,反应的化学方程式为2AsCl3+3Na3PO2+3HCl+3H2O 2As↓+3H3PO3+9NaCl,反应的离子方程式为2As3++3P+3H++3H2O 2As↓+3H3PO3。

(6)由流程图可知,在“电解”时SbCl3反应生成SbCl5和Sb,Sb3+~Sb5+~2e-,Sb3+被氧化;Sb3+~Sb~3e-,Sb3+被还原,根据氧化还原反应中得失电子守恒可知被氧化的Sb与被还原的Sb的质量之比为3∶2。