新高考化学二轮复习学案第3部分 考前特训 (二)化工工艺流程（含解析）

(二)化工工艺流程

1．锂辉石矿(主要含有LiAlSi2O6，还含有少量Fe2＋、Mg2＋)是主要锂源，现利用锂辉石矿制取LiBr，用于高级电池的电解质、医用镇静剂等。工艺流程如下：

(1)锂辉石中主要成分LiAlSi2O6改写为氧化物形式为__________________。

(2)工业选择石灰石进行“中和”而不选择纯碱主要考虑的是__________；在“除镁除铁(调节pH≈11)”步骤中得到的滤渣中含铁成分是__________；写出“除铝”所发生反应的离子方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)碳酸锂在水中的溶解度较小，其－lg Ksp与温度t关系如下表：

由此可知碳酸锂在水中的溶解热效应ΔH______(填“>”或“＜”)0；加入纯碱试剂进行“沉锂”后，依次进行保温静置、________(填序号)。

①洗涤　②趁热过滤　③离心分离

(4)在“合成”中，碳酸锂粉末分次少量加入冰水中溶解，再加入尿素搅拌得到“料液”，料液中徐徐加入溴，控制pH＝5.0，反应生成LiBr和两种无色无味气体，写出化学方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)Li2O·Al2O3·4SiO2　(2)石灰石价廉易得　Fe(OH)3　AlO＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓　(3)<　③②①　(4)3Li2CO3＋CO(NH2)2＋3Br2===6LiBr＋4CO2↑＋N2↑＋2H2O

解析　(2)工业选择石灰石进行“中和”而不选择纯碱是因为石灰石价廉易得，生产成本低；“除镁除铁”发生的反应为加入氢氧化钠溶液将溶液中铁离子、镁离子转化为氢氧化铁、氢氧化镁沉淀，铝离子转化为偏铝酸根离子；除铝发生的反应为加入适量稀硫酸，将溶液中的偏铝酸根离子转化为氢氧化铝沉淀，反应的离子方程式为AlO＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓。(3)由表格数据可知，碳酸锂的溶解度随着温度的升高而减小，说明碳酸锂在水中的溶解为放热过程，热效应ΔH<0；加入纯碱试剂进行沉锂后，为减少碳酸锂沉淀的损失，得到碳酸锂沉淀的操作为进行保温静置、离心分离、趁热过滤、洗涤。(4)由题意可知合成中发生的反应为碳酸锂粉末在低温条件下与尿素和溴反应生成溴化锂、二氧化碳和氮气，反应的化学方程式为3Li2CO3＋CO(NH2)2＋3Br2===6LiBr＋4CO2↑＋N2↑＋2H2O。

2．五氧化二钒(V2O5)广泛用于冶金、化工等行业，用作合金添加剂、生产硫酸或石油精炼用的催化剂等。从废钒催化剂(含有K2SO4、V2O5、V2O4、SiO2、Fe2O3、NiO等)中回收钒，既能避免对环境的污染，又能节约宝贵的资源，回收工艺流程如下：

已知：①“酸浸”时V2O5和V2O4与稀硫酸反应分别生成VO和VO2＋。

②溶液中VO与VO可相互转化：VO＋H2OVO＋2H＋，且NH4VO3为沉淀。

(1)“酸浸”前，需对废钒催化剂进行粉碎预处理，其目的是______________________

________________________________________________________________________。

(2)“还原转化”中加入FeSO4的目的是将VO转化为VO2＋，写出反应的离子方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)加入H2O2的目的是将过量的Fe2＋转化为Fe3＋。“氧化1”后，溶液中含有的金属阳离子主要有Fe3＋、Ni2＋、VO2＋，调节pH使离子沉淀，若溶液中c(Ni2＋)＝0.2 mol·L－1，则调节溶液的pH最小值为________可使Fe3＋沉淀完全(离子浓度≤1.0×10－5 mol·L－1时沉淀完全)，此时__________(填“有”或“无”)Ni(OH)2沉淀生成{假设溶液体积不变，lg 6≈0.8，Ksp[Fe(OH)3]＝2.16×10－39，Ksp[Ni(OH)2]＝2×10－15}。

(4)“氧化2”过程中发生反应的离子方程式为__________________________________

________________________________________________________________________。

(5)“沉钒”时，通入氨气的作用是___________________________________________

________________________________________________________________________。

(6)若该废钒催化剂中V2O5的含量为10%(原料中所有的钒已换算成V2O5)。取100 g待处理样品，按照上述流程进行实验。当加入150 mL 0.1 mol·L－1 KClO3溶液时，溶液中的钒元素恰好完全反应，则该工艺中钒的回收率是________%。(假设与KClO3反应后的操作步骤中钒元素无损失)

答案　(1)增大接触面积，加快反应速率　(2)VO＋Fe2＋＋2H＋===VO2＋＋Fe3＋＋H2O　(3)2.8　无　(4)3H2O＋ClO＋6VO2＋===6VO＋Cl－＋6H＋　(5)使VO＋H2OVO＋2H＋平衡正向移动，将VO转化为VO，同时增大NH的浓度　(6)81.9

解析　向废钒催化剂中加入稀硫酸进行“酸浸”，V2O5和V2O4与稀硫酸反应分别生成VO和VO2＋，Fe2O3转化为Fe2(SO4)3，NiO转化为NiSO4，过滤后的滤渣1主要成分为SiO2，加入FeSO4将VO转化为VO2＋，加入H2O2将过量的Fe2＋全部转化为Fe3＋，便于后续“调pH”步骤中除去，过滤得滤渣2，主要成分为Fe(OH)3，滤液2中加入萃取剂，“萃取”出含钒微粒，再进行“反萃取”后得到含钒的溶液，加入H2SO4和KClO3的目的是将低价态的钒氧化为＋5价的钒，经过加入NH4Cl和NH3后析出NH4VO3沉淀，最后“煅烧”得V2O5，据此分析解题。(3)当c(Fe3＋)＝1.0×10－5 mol·L－1时，根据Ksp的公式可知，溶液中的c(OH－)＝＝ mol·L－1＝6×10－12 mol·L－1，计算可得pH＝2.8，Q[Ni(OH)2]＝c(Ni2＋)·c2(OH－)＝0.2×(6.0×10－12)2＝7.2×10－24，因为Q[Ni(OH)2]<Ksp[Ni(OH)2]，所以无Ni(OH)2生成。(5)溶液中存在平衡VO＋H2OVO＋2H＋，通入氨气，溶液中OH－浓度增大，消耗了H＋，该平衡正向移动，从而使VO尽可能都转化为VO。(6)100 g待处理样品中，m(V2O5)＝100 g×10%＝10 g，则n(V2O5)＝＝ mol，即n(V)＝2× mol＝ mol；n(KClO3)＝0.15 L×0.1 mol·L－1＝0.015 mol，由于ClO～6VO2＋，故n(VO2＋)＝

0.09 mol，则该工艺中钒的回收率为×100%＝81.9%。

3．高铁酸钾(K2FeO4)是一种暗紫色固体，在低温碱性条件下比较稳定，微溶于KOH浓溶液。工业上湿法制备K2FeO4的流程如图：

(1)强碱性介质中，NaClO可氧化Fe(NO3)3生成高铁酸钠，写出该反应的离子方程式：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)请比较工业上湿法制备K2FeO4的条件下Na2FeO4和K2FeO4的溶解度大小： Na2FeO4________(填“>” “<”或 “＝”)K2FeO4

(3)将Na2FeO4粗品[含有Fe(OH)3、NaCl等杂质]转化为K2FeO4的实验方案为

a．在不断搅拌下，将Na2FeO4粗品溶于冷的3 mol·L－1 KOH溶液中，快速过滤除去Fe(OH)3等难溶的物质。

b．将滤液置于__________中，向滤液中加入________________，过滤。

c．对产品进行洗涤时使用乙醇，其目的是________________________________________

_____________________________________________________________________(答两点)。

(4)高铁酸盐具有强氧化性，溶液pH越小氧化性越强，可用于除去废水中的氨、重金属等。K2FeO4的浓度与pH关系如图1所示；用K2FeO4除去某氨氮(NH3-N)废水，氨氮去除率与pH关系如图2所示；用K2FeO4处理Zn2＋浓度为0.12 mg·L－1的含锌废水{Ksp[Zn(OH)2]＝1.2×10－17}，锌残留量与pH关系如图3所示[已知： K2FeO4与H2O反应生成Fe(OH)3的过程中，可以捕集某些难溶金属的氢氧化物形成共沉淀]。

①图2中，pH越大氨氮的去除率越大，其原因可能是__________。

②图3中，pH＝10时锌的去除率比pH＝5时大得多，其原因是___________________

________________________________________________________________________。(从锌元素的存在的形态角度说明)。

答案　(1)3ClO－＋2Fe3＋＋10OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O　(2)>　(3)b.冰水　饱和KOH溶液　c．除去杂质，减少K2FeO4的溶解；提高产率，能快速干燥　(4)①高铁酸盐在酸性较强的条件下不稳定，容易分解，与氨氮作用时间短，难以除去　②pH＝5时，锌元素以Zn2＋形式存在，pH＝10时，锌元素几乎都以Zn(OH)2形式存在，Zn(OH)2被高铁酸钾水解生成的Fe(OH)3捕集

解析　硝酸铁和过量次氯酸钠在过量NaOH溶液中反应生成高铁酸钠、氯化钠、硝酸钠，过滤，向滤渣高铁酸钠中加入饱和KOH溶液生成溶解度更小的高铁酸钾，再过滤得到高铁酸钾。(2)生成的Na2FeO4需要转化为钾盐，根据题中信息，说明溶解度：Na2FeO4>K2FeO4。(3)高铁酸钾低温下较稳定，可将滤液置于冰水中，由于高铁酸钾微溶于KOH浓溶液，故用饱和KOH溶液溶解高铁酸钠；洗涤时不能用水洗，选用乙醇洗，是因为乙醇洗可以减少钾盐的溶解，提高钾盐的产率，而且乙醇易挥发，可以更快地挥发并带走水分，能快速干燥。(4)①图2中，pH越大氨氮的去除率越大，其原因可能是高铁酸钾在低温碱性条件下比较稳定，高铁酸盐在酸性较强的条件下不稳定，容易分解，与氨氮作用时间短，难以除去。②由题意知，含锌废水中锌离子的浓度为≈1.85×10－6 mol·L－1，当溶液pH为5时，溶液中没有氢氧化锌沉淀生成，当溶液pH为10时，溶液中有氢氧化锌沉淀生成，由题给信息可知，K2FeO4与H2O反应生成Fe(OH)3的过程中，可以捕集某些难溶金属的氢氧化物形成共沉淀，故pH＝10时锌的去除率比pH＝5时大得多。

4．铂钌催化剂是甲醇燃料电池的阳极催化剂。一种以钌矿石[主要含Ru(CO3)2，还含少量的FeO、MgO、RuO4、CaO、SiO2]为原料制备钌(Ru)的流程如图。回答下列问题：

(1)Na2Fe4(SO4)6(OH)2中Fe的化合价为____________。

(2)“酸浸”时，Na2SO3的作用是_____________________________________________。

“滤渣”的主要成分有SiO2和____________(填化学式)。“酸浸”中钌的浸出率与浸出温度、pH的关系如图所示，“酸浸”的最佳条件是___________________________________。

(3)“除铁”的离子方程式为________________________________________________

________________________________________________________________________

(提示：1 mol NaClO3参与反应，转移6 mol电子)。

(4)从“滤液2”中可提取一种化肥，其电子式为____________。

(5)“灼烧”时Ar的作用是__________________________________________________

________________________________________________________________________。

(6)某工厂用10 t钌矿石[含8.84 t Ru(CO3)2、165 kg RuO4]，最终制得3 636 kg Ru，则Ru的产率为____________(结果保留三位有效数字)。

答案　(1)＋3价　(2)溶解RuO4　CaSO4　温度为65 ℃、pH为1.0　(3)6Na＋＋12Fe2＋＋2ClO＋18SO＋6H2O===3Na2Fe4(SO4)6(OH)2↓＋2Cl－＋6OH－　(4)　(5)作保护气，防止钌与空气中的氧气反应　(6)87.8%

解析　由题给流程可知，钌矿石中加稀硫酸和亚硫酸钠“酸浸”时，钌元素转化为硫酸钌，氧化亚铁、氧化镁转化为硫酸亚铁、硫酸镁，氧化钙与稀硫酸反应生成硫酸钙，二氧化硅与硫酸不反应，过滤得到含有二氧化硅、硫酸钙的滤渣和含有硫酸钌的滤液；向滤液中加入氯酸钠溶液、碳酸钠溶液将铁元素转化为Na2Fe4(SO4)6(OH)2沉淀，过滤，向滤液中加入氟化钠溶液将镁元素转化为氟化镁沉淀，过滤，向滤液中加入浓碳酸钠溶液将钌元素转化为碳酸钌沉淀，碳酸钌溶于盐酸得到氯化钌，向氯化钌溶液中加入草酸铵溶液将氯化钌转化为草酸钌沉淀，在氩气氛围中灼烧草酸钌制得钌。(3)由分析可知，加入氯酸钠溶液、碳酸钠溶液的目的是将铁元素转化为Na2Fe4(SO4)6(OH)2沉淀，反应的离子方程式为6Na＋＋12Fe2＋＋2ClO＋18SO＋6H2O===3Na2Fe4(SO4)6(OH)2↓＋2Cl－＋6OH－。(5)灼烧时氩气的作用是作保护气，否则反应得到的钌会被空气中的氧气氧化。(6)若10 t钌矿石最终制得3 636 kg钌，由钌原子个数守恒可知，钌的产率为×100%≈87.8%。