資源簡介

專題十八 化學工藝流程
課標要求 考情分析 核心素養
1. 了解鈉、鐵及其重要化合物的主要性質，了解這些物質在生產、生活中的應用。了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響。 2. 認識化學變化是有條件的，學習運用變量控制方法研究化學反應，了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用。 3. 了解水溶液中的離子反應與平衡在物質檢測、化學反應規律研究、物質轉化中的應用。了解溶液pH的調控在工農業生產和科學研究中的應用。 4. 體會實驗條件控制對完成科學實驗及探究活動的作用。 新高考3年考頻 100% 宏觀辨識與微觀探析 變化觀念與平衡思想 科學探究與創新意識 科學態度與社會責任
試題難度 困難
考查形式 主觀題
高頻考向： 1.原料預處理的方式； 2.反應條件控制及選擇； 3.物質分離與提純的操作； 4.新情境下核心反應方程式的書寫； 5.化工流程題中的曲線分析及應用； 6.化工流程題中Ksp的計算與應用。
命題趨勢：
化學工藝流程題是高考化學的必考題型。試題常以無機礦物、工農業和生活廢棄物的利用為情境，與元素化合物知識、化學基本原理、化工生產成本、環境保護等相融合，考查化學相關知識在化工生產中的實際應用。試題中的流程圖一般由原料、核心反應和目標產物三部分組成，附加信息多以表格和圖像呈現。設問角度一般可分為原料預處理、除雜、工業條件選擇、產品的分離提純、可持續發展和產率計算等方面。涉及的知識點有物質成分、化學反應及轉化、工藝操作及目的、化學反應速率和平衡原理、pH范圍判斷、溶度積常數計算等，側重于考查學生獲取信息的能力、分析問題的能力、語言表達能力和計算能力。試題考查知識面廣、綜合性強、思維容量大，體現出綜合性和應用性。預測2023年新高考仍主要圍繞常見金屬元素如Mg、Al、Fe等及過渡金屬元素如V、Mn、Ti、Zn等，以金屬礦物的開發利用和廢舊金屬物品(廢舊電極材料、廢棄的催化劑等)中的金屬回收或再利用為情景，培養可持續發展意識和綠色化學理念。
解題思路：
技巧總結：
1．讀流程圖
（1）箭頭：箭頭進入的是投料(反應物)、出去的是主產物或副產物(生成物)。
（2）三線：出線和進線均表示物料流向或操作流程，返回線表示物質循環。
2．解題要點
（1）審題要點：①明確生產目的、原料及產品，②讀懂題目提供的信息，特別是陌生物質的相關性質，③分析各步的反應條件、原理及物質成分，④理解實驗操作和條件控制等在實際生產中的應用。
（2）答題切入點：①原料及產品的分離提純，②生產目的及反應原理，③生產要求及反應條件，④有關產率、產量及組成的計算，⑤綠色化學。
真題溯源
1．[2022·全國甲卷]硫酸鋅()是制備各種含鋅材料的原料，在防腐、電鍍、醫學上有諸多應用。硫酸鋅可由菱鋅礦制備。菱鋅礦的主要成分為，雜質為以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制備流程如下：
本題中所涉及離子的氫氧化物溶度積常數如下表：
離子
回答下列問題：
（1）菱鋅礦焙燒生成氧化鋅的化學方程式為 。
（2）為了提高鋅的浸取效果，可采取的措施有 、 。
（3）加入物質X調溶液pH=5，最適宜使用的X是_______(填標號)。
A．NH3·H2O B．Ca(OH)2 C．NaOH
濾渣①的主要成分是_______、_______、_______。
（4）向的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應后過濾，濾渣②中有MnO2，該步反應的離子方程式為 。
（5）濾液②中加入鋅粉的目的是 。
（6）濾渣④與濃H2SO4反應可以釋放HF并循環利用，同時得到的副產物是_______、_______。
2．[2022·全國乙卷]廢舊鉛蓄電池的鉛膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb。還有少量Ba、Fe、Al的鹽或氧化物等。為了保護環境、充分利用鉛資源，通過下圖流程實現鉛的回收。
一些難溶電解質的溶度積常數如下表：
難溶電解質 PbSO4 PbCO3 BaSO4 BaCO3
一定條件下，一些金屬氫氧化物沉淀時的如下表：
金屬氫氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)2
開始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2
完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1
回答下列問題：
（1）在“脫硫”中PbSO4轉化反應的離子方程式為__________________，用沉淀溶解平衡原理解釋選擇Na2CO3的原因____________________________。
（2）在“脫硫”中，加入Na2CO3不能使鉛膏中BaSO4完全轉化，原因是____________________________。
（3）在“酸浸”中，除加入醋酸(HAc)，還要加入H2O2。
（i）能被H2O2氧化的離子是________；
（ii）H2O2促進了金屬Pb在醋酸中轉化為Pb(Ac)2，其化學方程式為 ；
（iii）H2O2也能使PbO2轉化為Pb(Ac)2，H2O2的作用是_________________。
（4）“酸浸”后溶液的pH約為4.9，濾渣的主要成分是________________。
（5）“沉鉛”的濾液中，金屬離子有________。
3．[2022·廣東卷]稀土（RE）包括鑭、釔等元素，是高科技發展的關鍵支撐。我國南方特有的稀土礦可用離子交換法處理，一種從該類礦(含鐵、鋁等元素)中提取稀土的工藝如下：
已知：月桂酸（C11H23COOH）熔點為44℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均難溶于水。該工藝條件下，稀土離子保持價不變；(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8，Al(OH)3開始溶解時的pH為8.8；有關金屬離子沉淀的相關pH見下表。
離子 Mg2+ Fe3+ Al3+ RE3+
開始沉淀時的pH 8.8 1.5 3.6 6.2~7.4
沉淀完全時的pH / 3.2 4.7 /
（1） “氧化調pH”中，化合價有變化的金屬離子是_______。
（2） “過濾1”前，用NaOH溶液調pH至______的范圍內，該過程中發生反應的離子方程式為__________。
（3） “過濾2”后，濾餅中檢測不到Mg元素，濾液2中Mg2+濃度為2.7g·L-1。為盡可能多地提取RE3+，可提高月桂酸鈉的加入量，但應確保“過濾2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于_______ mol·L-1(保留兩位有效數字)。
（4）①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產率，其原因是_______________________。
②“操作X”的過程為：先_________，再固液分離。
（5）該工藝中，可再生循環利用的物質有_______(寫化學式)。
（6）稀土元素釔(Y)可用于制備高活性的合金類催化劑Pt3Y。
①還原YCl3和PtCl4熔融鹽制備Pt3Y時，生成1mol Pt3Y轉移_______mol電子。
②Pt3Y/C用作氫氧燃料電池電極材料時，能在堿性溶液中高效催化O2的還原，發生的電極反應為____________。
4．[2022·湖南卷]鈦(Ti)及其合金是理想的高強度、低密度結構材料。以鈦渣(主要成分為，含少量V、Si和Al的氧化物雜質)為原料，制備金屬鈦的工藝流程如下：
已知“降溫收塵”后，粗中含有的幾種物質的沸點：
物質
沸點/℃ 136 127 57 180
回答下列問題：
（1）已知，的值只決定于反應體系的始態和終態，忽略、隨溫度的變化。若，則該反應可以自發進行。根據下圖判斷：時，下列反應不能自發進行的是_______。
A．
B．
C．
D．
（2）與C、Cl2，在的沸騰爐中充分反應后，混合氣體中各組分的分壓如下表：
物質
分壓/MPa
①該溫度下，與C、Cl2反應的總化學方程式為_______________________；
②隨著溫度升高，尾氣中CO的含量升高，原因是______________________________________。
（3）“除釩”過程中的化學方程式為_______；“除硅、鋁”過程中，分離中含、雜質的方法是_______。
（4）“除釩”和“除硅、鋁”的順序_______(填“能”或“不能”)交換，理由是____________________。
（5）下列金屬冶煉方法與本工藝流程中加入Mg冶煉Ti的方法相似的是_______。
A．高爐煉鐵 B．電解熔融氯化鈉制鈉
C．鋁熱反應制錳 D．氧化汞分解制汞
5．[2022·山東卷]工業上以氟磷灰石[，含等雜質]為原料生產磷酸和石膏，工藝流程如下：
回答下列問題：
（1）酸解時有產生。氫氟酸與反應生成二元強酸，離子方程式為_____________________。
（2）部分鹽的溶度積常數見下表。精制Ⅰ中，按物質的量之比加入脫氟，充分反應后，c(Na+)=_______；再分批加入一定量的，首先轉化為沉淀的離子是_______。
（3）濃度(以計)在一定范圍時，石膏存在形式與溫度、濃度(以計)的關系如圖甲所示。酸解后，在所得、為45的混合體系中，石膏存在形式為_______(填化學式)；洗滌時使用一定濃度的硫酸溶液而不使用水，原因是__________________，回收利用洗滌液X的操作單元是_______；一定溫度下，石膏存在形式與溶液中和的關系如圖乙所示，下列條件能實現酸解所得石膏結晶轉化的是_______(填標號)。
A．、、 B．、、
C．、、 D．、、
6．[2021·湖南卷]可用于催化劑載體及功能材料的制備。天然獨居石中，鈰(Ce)主要以形式存在，還含有、、、等物質。以獨居石為原料制備的工藝流程如下：
回答下列問題：
（1）鈰的某種核素含有58個質子和80個中子，該核素的符號為_______。
（2）為提高“水浸”效率，可采取的措施有___________________(至少寫兩條)。
（3）濾渣Ⅲ的主要成分是_____________(填化學式)；
（4）加入絮凝劑的目的是_______________________。
（5）“沉鈰”過程中，生成的離子方程式為_____________________，常溫下加入的溶液呈_______(填“酸性”“堿性”或“中性”)。(已知：的，的，)
（6）濾渣Ⅱ的主要成分為，在高溫條件下，、葡萄糖()和可制備電極材料，同時生成和，該反應的化學方程式為______________________。
7．[2021·河北卷]綠色化學在推動社會可持續發展中發揮著重要作用。某科研團隊設計了一種熔鹽液相氧化法制備高價鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產生廢棄物，實現了Cr—Fe—Al—Mg的深度利用和Na+內循環。工藝流程如圖：
回答下列問題：
（1）高溫連續氧化工序中被氧化的元素是_______(填元素符號)。
（2）工序①的名稱為__________。
（3）濾渣Ⅰ的主要成分是______________(填化學式)。
（4）工序③中發生反應的離子方程式為__________________________________。
（5）物質V可代替高溫連續氧化工序中的NaOH，此時發生的主要反應的化學方程式為____________________，可代替NaOH的化學試劑還有_______(填化學式)。
（6）熱解工序產生的混合氣體最適宜返回工序_______(填“①”或“②”或“③”或“④”)參與內循環。
（7）工序④溶液中的鋁元素恰好完全轉化為沉淀的pH為______。(通常認為溶液中離子濃度小于10-5mol L-1為沉淀完全；Al(OH)3+OH-Al(OH)：K=100.63，Kw=10-14，Ksp[A1(OH)3]=10-33)
8．[2021·山東卷]工業上以鉻鐵礦(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等雜質)為主要原料制備紅礬鈉(Na2Cr2O7 2H2O)的工藝流程如圖。回答下列問題：
（1）焙燒的目的是將FeCr2O4轉化為Na2CrO4并將Al、Si氧化物轉化為可溶性鈉鹽，焙燒時氣體與礦料逆流而行，目的是_________________________________。
（2）礦物中相關元素可溶性組分物質的量濃度c與pH的關系如圖所示。當溶液中可溶組分濃度c≤1.0×10-5mol L-1時，可認為已除盡。
中和時pH的理論范圍為________；酸化的目的是_______________；Fe元素在_______(填操作單元的名稱)過程中除去。
（3）蒸發結晶時，過度蒸發將導致_______________；冷卻結晶所得母液中，除Na2Cr2O7外，可在上述流程中循環利用的物質還有__________。
（4）利用膜電解技術(裝置如圖所示)，以Na2CrO4為主要原料制備Na2Cr2O7的總反應方程式為：4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。則Na2Cr2O7在_____(填“陰”或“陽”)極室制得，電解時通過膜的離子主要為___________。專題十八 化學工藝流程
課標要求 考情分析 核心素養
1. 了解鈉、鐵及其重要化合物的主要性質，了解這些物質在生產、生活中的應用。了解氯、氮、硫及其重要化合物的主要性質，認識這些物質在生產中的應用和對生態環境的影響。 2. 認識化學變化是有條件的，學習運用變量控制方法研究化學反應，了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用。 3. 了解水溶液中的離子反應與平衡在物質檢測、化學反應規律研究、物質轉化中的應用。了解溶液pH的調控在工農業生產和科學研究中的應用。 4. 體會實驗條件控制對完成科學實驗及探究活動的作用。 新高考3年考頻 100% 宏觀辨識與微觀探析 變化觀念與平衡思想 科學探究與創新意識 科學態度與社會責任
試題難度 困難
考查形式 主觀題
高頻考向： 1.原料預處理的方式； 2.反應條件控制及選擇； 3.物質分離與提純的操作； 4.新情境下核心反應方程式的書寫； 5.化工流程題中的曲線分析及應用； 6.化工流程題中Ksp的計算與應用。
命題趨勢：
化學工藝流程題是高考化學的必考題型。試題常以無機礦物、工農業和生活廢棄物的利用為情境，與元素化合物知識、化學基本原理、化工生產成本、環境保護等相融合，考查化學相關知識在化工生產中的實際應用。試題中的流程圖一般由原料、核心反應和目標產物三部分組成，附加信息多以表格和圖像呈現。設問角度一般可分為原料預處理、除雜、工業條件選擇、產品的分離提純、可持續發展和產率計算等方面。涉及的知識點有物質成分、化學反應及轉化、工藝操作及目的、化學反應速率和平衡原理、pH范圍判斷、溶度積常數計算等，側重于考查學生獲取信息的能力、分析問題的能力、語言表達能力和計算能力。試題考查知識面廣、綜合性強、思維容量大，體現出綜合性和應用性。預測2023年新高考仍主要圍繞常見金屬元素如Mg、Al、Fe等及過渡金屬元素如V、Mn、Ti、Zn等，以金屬礦物的開發利用和廢舊金屬物品(廢舊電極材料、廢棄的催化劑等)中的金屬回收或再利用為情景，培養可持續發展意識和綠色化學理念。
解題思路：
技巧總結：
1．讀流程圖
（1）箭頭：箭頭進入的是投料(反應物)、出去的是主產物或副產物(生成物)。
（2）三線：出線和進線均表示物料流向或操作流程，返回線表示物質循環。
2．解題要點
（1）審題要點：①明確生產目的、原料及產品，②讀懂題目提供的信息，特別是陌生物質的相關性質，③分析各步的反應條件、原理及物質成分，④理解實驗操作和條件控制等在實際生產中的應用。
（2）答題切入點：①原料及產品的分離提純，②生產目的及反應原理，③生產要求及反應條件，④有關產率、產量及組成的計算，⑤綠色化學。
真題溯源
1．[2022·全國甲卷]硫酸鋅()是制備各種含鋅材料的原料，在防腐、電鍍、醫學上有諸多應用。硫酸鋅可由菱鋅礦制備。菱鋅礦的主要成分為，雜質為以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制備流程如下：
本題中所涉及離子的氫氧化物溶度積常數如下表：
離子
回答下列問題：
（1）菱鋅礦焙燒生成氧化鋅的化學方程式為 。
（2）為了提高鋅的浸取效果，可采取的措施有 、 。
（3）加入物質X調溶液pH=5，最適宜使用的X是_______(填標號)。
A．NH3·H2O B．Ca(OH)2 C．NaOH
濾渣①的主要成分是_______、_______、_______。
（4）向的濾液①中分批加入適量KMnO4溶液充分反應后過濾，濾渣②中有MnO2，該步反應的離子方程式為 。
（5）濾液②中加入鋅粉的目的是 。
（6）濾渣④與濃H2SO4反應可以釋放HF并循環利用，同時得到的副產物是_______、_______。
（1）ZnCO3ZnO+CO2↑
（2）將焙燒后的產物碾碎，增大接觸面積；適當增大硫酸的濃度等
（3）B；Fe(OH)3；CaSO4；SiO2
（4）3Fe2+++7H2O=3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+
（5）置換Cu2+為Cu從而除去
（6）CaSO4；MgSO4
【解析】由題干信息，菱鋅礦的主要成分為ZnCO3，雜質為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物，結合流程圖分析，菱鋅礦焙燒，主要發生反應ZnCO3ZnO+CO2↑，再加入H2SO4酸浸，得到含Zn2+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+的溶液，加入物質X調節pH=5，結合表格數據，過濾得到Fe(OH)3、CaSO4、SiO2的濾渣①，濾液①中主要含有Zn2+、Cu2+、Mg2+、Ca2+、Fe2+，再向濾液①中加入KMnO4溶液氧化Fe2+，過濾得到Fe(OH)3和MnO2的濾渣②，濾液②中加入鋅粉，發生反應Zn+Cu2+=Zn2++Cu，過濾后得到濾渣③為Cu，再向濾液③中加入HF脫鈣鎂，過濾得到濾渣④為CaF2、MgF2，濾液④為ZnSO4溶液，經一系列處理得到ZnSO4·7H2O，據此分析解答。
（1）由上述分析可知，焙燒時，生成ZnO的反應為：ZnCO3ZnO+CO2↑；
（2）可采用將焙燒后的產物碾碎，增大接觸面積、適當增大硫酸的濃度等方式提高鋅的浸取率；
（3）A．NH3·H2O會引入雜質銨根離子，且經濟成本較高，故A不適宜；B．Ca(OH)2不會引入新的雜質，且成本較低，故B適宜；C．NaOH會引入雜質Na+，且成本較高，C不適宜；故答案選B；
當金屬離子沉淀完全時，溶液中金屬離子濃度小于10-5mol·L-1，結合Ksp數據，當離子完全沉淀時pH=5時只有Fe3+形成Fe(OH)3沉淀，故濾渣①中有Fe(OH)3，又由于CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故濾渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；
（4）向80~90℃濾液①中加入KMnO4溶液，可氧化Fe2+，得到Fe(OH)3和MnO2的濾渣②，反應的離子方程式為3Fe2+++7H2O=3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+；
（5）濾液②中加入鋅粉，發生反應Zn+Cu2+=Zn2++Cu，故加入鋅粉的目的為置換Cu2+為Cu從而除去；
（6）由上述分析可知，濾渣④為CaF2、MgF2，與濃硫酸反應可得到HF，同時得到的副產物為CaSO4、MgSO4。
2．[2022·全國乙卷]廢舊鉛蓄電池的鉛膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb。還有少量Ba、Fe、Al的鹽或氧化物等。為了保護環境、充分利用鉛資源，通過下圖流程實現鉛的回收。
一些難溶電解質的溶度積常數如下表：
難溶電解質 PbSO4 PbCO3 BaSO4 BaCO3
一定條件下，一些金屬氫氧化物沉淀時的如下表：
金屬氫氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)2
開始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2
完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1
回答下列問題：
（1）在“脫硫”中PbSO4轉化反應的離子方程式為__________________，用沉淀溶解平衡原理解釋選擇Na2CO3的原因____________________________。
（2）在“脫硫”中，加入Na2CO3不能使鉛膏中BaSO4完全轉化，原因是____________________________。
（3）在“酸浸”中，除加入醋酸(HAc)，還要加入H2O2。
（i）能被H2O2氧化的離子是________；
（ii）H2O2促進了金屬Pb在醋酸中轉化為Pb(Ac)2，其化學方程式為 ；
（iii）H2O2也能使PbO2轉化為Pb(Ac)2，H2O2的作用是_________________。
（4）“酸浸”后溶液的pH約為4.9，濾渣的主要成分是________________。
（5）“沉鉛”的濾液中，金屬離子有________。
（1）PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)；反應PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)的平衡常數K===3.4×105>105，PbSO4可以比較徹底的轉化為PbCO3
（2）反應BaSO4(s)+CO(aq)BaCO3(s)+SO(aq)的平衡常數K===0.04<<105，反應正向進行的程度很小
（3）（i）Fe2+ （ii）Pb+H2O2+2HAc=Pb(Ac)2+2H2O （iii）作還原劑
（4）Fe(OH)3、Al(OH)3、BaSO4
（5）Ba2+、Na+
【解析】鉛膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb，還有少量Ba、Fe、Al的鹽或氧化物等，向鉛膏中加入碳酸鈉溶液進行脫硫，硫酸鉛轉化為碳酸鉛，過濾，向所得固體中加入醋酸、過氧化氫進行酸浸，過氧化氫可將溶液中的亞鐵離子氧化為鐵離子，酸浸后溶液的pH約為4.9，依據金屬氫氧化物沉淀時的pH可知，濾渣主要成分為氫氧化鋁、氫氧化鐵，過濾后，向濾液中加入氫氧化鈉溶液進行沉鉛，得到氫氧化鉛沉淀，濾液中的金屬陽離子主要為鈉離子和鋇離子，氫氧化鉛再進行處理得到PbO。
（1）“脫硫”中，碳酸鈉溶液與硫酸鉛反應生成碳酸鉛和硫酸鈉，反應的離子方程式為：PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)，由上述一些難溶電解質的溶度積常數的數據可知，Ksp(PbCO3)=7.4×10-14，Ksp(PbSO4)=2.5×10-8，反應PbSO4(s)+CO(aq)PbCO3(s)+SO(aq)的平衡常數K====≈3.4×105>105，說明可以轉化的比較徹底，且轉化后生成的碳酸鉛可由酸浸進入溶液中，減少鉛的損失。
（2）反應BaSO4(s)+CO(aq)BaCO3(s)+SO(aq)的平衡常數K====≈0.04<<105，說明該反應正向進行的程度很小，因此加入碳酸鈉不能使鉛膏中的BaSO4完全轉化。
（3）（i）過氧化氫有氧化性，亞鐵離子有還原性，會被過氧化氫氧化為鐵離子。
（ii）過氧化氫促進金屬Pb在醋酸溶液中轉化為Pb(Ac)2，過氧化氫與Pb、HAc發生氧化還原反應生成Pb(Ac)2和H2O，依據得失電子守恒和原子守恒可知，反應的化學方程式為：Pb+H2O2+2HAc=Pb(Ac)2+2H2O。
（iii）過氧化氫也能使PbO2轉化為Pb(Ac)2，鉛元素化合價由+4價降低到了+2價，PbO2是氧化劑，則過氧化氫是還原劑。
（4）酸浸后溶液的pH約為4.9，依據金屬氫氧化物沉淀時的pH可知，濾渣主要成分為氫氧化鋁、氫氧化鐵，并且BaSO4未能完全轉化為BaCO3，濾渣中還含有BaSO4。
（5）依據分析可知，加入碳酸鈉不能使鉛膏中的BaSO4完全轉化，鐵離子、鋁離子轉化為了氫氧化鐵、氫氧化鋁沉淀，鉛轉化為了氫氧化鉛，最終變為了氧化鉛，因此沉鉛的濾液中，金屬離子有Ba2+和加入碳酸鈉、氫氧化鈉時引入的Na+。
3．[2022·廣東卷]稀土（RE）包括鑭、釔等元素，是高科技發展的關鍵支撐。我國南方特有的稀土礦可用離子交換法處理，一種從該類礦(含鐵、鋁等元素)中提取稀土的工藝如下：
已知：月桂酸（C11H23COOH）熔點為44℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均難溶于水。該工藝條件下，稀土離子保持價不變；(C11H23COO)2Mg的Ksp=1.8×10-8，Al(OH)3開始溶解時的pH為8.8；有關金屬離子沉淀的相關pH見下表。
離子 Mg2+ Fe3+ Al3+ RE3+
開始沉淀時的pH 8.8 1.5 3.6 6.2~7.4
沉淀完全時的pH / 3.2 4.7 /
（1） “氧化調pH”中，化合價有變化的金屬離子是_______。
（2） “過濾1”前，用NaOH溶液調pH至______的范圍內，該過程中發生反應的離子方程式為__________。
（3） “過濾2”后，濾餅中檢測不到Mg元素，濾液2中Mg2+濃度為2.7g·L-1。為盡可能多地提取RE3+，可提高月桂酸鈉的加入量，但應確保“過濾2”前的溶液中c(C11H23COO-)低于_______ mol·L-1(保留兩位有效數字)。
（4）①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產率，其原因是_______________________。
②“操作X”的過程為：先_________，再固液分離。
（5）該工藝中，可再生循環利用的物質有_______(寫化學式)。
（6）稀土元素釔(Y)可用于制備高活性的合金類催化劑Pt3Y。
①還原YCl3和PtCl4熔融鹽制備Pt3Y時，生成1mol Pt3Y轉移_______mol電子。
②Pt3Y/C用作氫氧燃料電池電極材料時，能在堿性溶液中高效催化O2的還原，發生的電極反應為____________。
（1）Fe2+
（2）4.7≤pH<6.2；Al3++3OH-=Al(OH)3↓
（3）4.0×10-4
（4）①加熱攪拌可加快反應速率 ②冷卻結晶
（5）MgSO4
（6）①15 ②O2+4e-+2H2O=4OH-
【解析】由流程可知，該類礦(含鐵、鋁等元素)加入酸化MgSO4溶液浸取，得到浸取液中含有RE3+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Al3+、等離子，經氧化調pH使Fe3+、Al3+形成沉淀，經過濾除去，濾液1中含有RE3+、Mg2+、等離子，加入月桂酸鈉，使RE3+形成(C11H23COO)3RE沉淀，濾液2主要含有MgSO4溶液，可循環利用，濾餅加鹽酸，經加熱攪拌溶解后，再冷卻結晶，析出月桂酸，再固液分離得到RECl3溶液。
（1）由分析可知，“氧化調pH”目的是除去含鐵、鋁等元素的離子，需要將Fe2+氧化為Fe3+，以便后續除雜，所以化合價有變化的金屬離子是Fe2+；
（2）由表中數據可知，Al3+沉淀完全的pH為4.7，而RE3+開始沉淀的pH為6.2~7.4，所以為保證Fe3+、Al3+沉淀完全，且RE3+不沉淀，要用NaOH溶液調pH至4.7≤pH<6.2的范圍內，該過程中Al3+發生反應的離子方程式為Al3++3OH-=Al(OH)3↓；
（3）濾液2中Mg2+濃度為2.7g·Lˉ1，即0.1125mol·L-1，根據，若要加入月桂酸鈉后只生成(C11H23COO)3RE，而不產生(C11H23COO)2Mg，則==4.0×10-4mol·L-1；
（4）①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產率，其原因是加熱攪拌可加快反應速率；
② “操作X”的結果是分離出月桂酸，由信息可知，月桂酸（C11H23COOH）熔點為44℃，且難溶于水，故“操作X”的過程為：先冷卻結晶，再固液分離；
（5）由上述分析可知，該工藝中，可再生循環利用的物質有MgSO4；
（6）①YCl3中Y為+3價，PtCl4中Pt為+4價，而Pt3Y中金屬均為0價，所以還原YCl3和PtCl4熔融鹽制備Pt3Y時，生成1mol Pt3Y轉移15mol電子；
②堿性溶液中，氫氧燃料電池正極發生還原反應，發生的電極反應為O2+4e-+2H2O=4OH-。
4．[2022·湖南卷]鈦(Ti)及其合金是理想的高強度、低密度結構材料。以鈦渣(主要成分為，含少量V、Si和Al的氧化物雜質)為原料，制備金屬鈦的工藝流程如下：
已知“降溫收塵”后，粗中含有的幾種物質的沸點：
物質
沸點/℃ 136 127 57 180
回答下列問題：
（1）已知，的值只決定于反應體系的始態和終態，忽略、隨溫度的變化。若，則該反應可以自發進行。根據下圖判斷：時，下列反應不能自發進行的是_______。
A．
B．
C．
D．
（2）與C、Cl2，在的沸騰爐中充分反應后，混合氣體中各組分的分壓如下表：
物質
分壓/MPa
①該溫度下，與C、Cl2反應的總化學方程式為_______________________；
②隨著溫度升高，尾氣中CO的含量升高，原因是______________________________________。
（3）“除釩”過程中的化學方程式為_______；“除硅、鋁”過程中，分離中含、雜質的方法是_______。
（4）“除釩”和“除硅、鋁”的順序_______(填“能”或“不能”)交換，理由是____________________。
（5）下列金屬冶煉方法與本工藝流程中加入Mg冶煉Ti的方法相似的是_______。
A．高爐煉鐵 B．電解熔融氯化鈉制鈉
C．鋁熱反應制錳 D．氧化汞分解制汞
（1）C
（2）①5TiO2+6C+10Cl25TiCl4+2CO+4CO2 ②隨著溫度升高，CO2與C發生反應
（3）3VOCl3+Al=3VOCl2+AlCl3；蒸餾
（4）不能；若先“除硅、鋁”再“除釩”，“除釩”時需要加入Al，又引入Al雜質
（5）AC
【解析】鈦渣中加入C、Cl2進行沸騰氯化，轉化為相應的氯化物，降溫收塵后得到粗TiCl4，加入單質Al除釩，再除硅、鋁得到純TiCl4，加入Mg還原得到Ti。
（1）記①，②，③，④；
A．由圖可知，600℃時的，反應自發進行，故A不符合題意；
B．由圖可知，600℃時的，反應自發進行，故B不符合題意；
C．由圖可知，600℃時的，反應不能自發進行，故C符合題意；
D．根據蓋斯定律，可由①+③得到，則600℃時其，反應自發進行，故D不符合題意；
故選C；
（2）①根據表中數據可知，該溫度下C主要生成CO和CO2，根據相同條件下氣體的壓強之比等于物質的量之比可知TiCl4、CO和CO2的物質的量之比約是5：2：4，所以TiO2與C、Cl2反應的總化學方程式為5TiO2+6C+10Cl25TiCl4+2CO+4CO2，故答案為：5TiO2+6C+10Cl25TiCl4+2CO+4CO2；
②隨著溫度升高，CO2與C發生反應，導致CO含量升高，故答案為：隨著溫度升高，CO2與C發生反應；
（3）“降溫收塵”后釩元素主要以VOCl3形式存在，加入Al得到VOCl2渣，根據得失電子守恒和元素守恒配平方程式為3VOCl3+Al=3VOCl2+AlCl3；AlCl3、SiCl4與TiCl4沸點差異較大，“除硅、鋁"過程中可采用蒸餾的方法分離AlCl3、SiCl4，故答案為：3VOCl3+Al=3VOCl2+AlCl3；蒸餾；
（4）若先“除硅、鋁”再“除釩”，“除釩”時需要加入Al，又引入Al雜質，因此“除釩”和“除硅、鋁”的順序不能交換，故答案為：不能；若先“除硅、鋁”再“除釩”，“除釩”時需要加入Al，又引入Al雜質；
（5）本工藝中加入Mg冶煉Ti的方法為熱還原法；
A．高爐煉鐵的原理是用還原劑將鐵礦石中鐵的氧化物還原成金屬鐵，屬于熱還原法，故A符合題意；
B．電解熔融氯化鈉制取金屬鈉的原理是電解法，故B不符合題意；
C．鋁熱反應制錳是利用Al作還原劑，將錳從其化合物中還原出來，為熱還原法，故C符合題意；
D．Hg為不活潑金屬，可以直接用加熱分解氧化汞的方法制備汞，故D不符合題意；
故選AC。
5．[2022·山東卷]工業上以氟磷灰石[，含等雜質]為原料生產磷酸和石膏，工藝流程如下：
回答下列問題：
（1）酸解時有產生。氫氟酸與反應生成二元強酸，離子方程式為_____________________。
（2）部分鹽的溶度積常數見下表。精制Ⅰ中，按物質的量之比加入脫氟，充分反應后，c(Na+)=_______；再分批加入一定量的，首先轉化為沉淀的離子是_______。
（3）濃度(以計)在一定范圍時，石膏存在形式與溫度、濃度(以計)的關系如圖甲所示。酸解后，在所得、為45的混合體系中，石膏存在形式為_______(填化學式)；洗滌時使用一定濃度的硫酸溶液而不使用水，原因是__________________，回收利用洗滌液X的操作單元是_______；一定溫度下，石膏存在形式與溶液中和的關系如圖乙所示，下列條件能實現酸解所得石膏結晶轉化的是_______(填標號)。
A．、、 B．、、
C．、、 D．、、
（1）6HF+SiO2=2H+++2H2O
（2）；
（3）CaSO4·0.5H2O；減少CaSO4的溶解損失，提高產品石膏的產率；酸解；D
【解析】氟磷灰石用硫酸溶解后過濾，得到粗磷酸和濾渣，濾渣經洗滌后結晶轉化為石膏；粗磷酸以精制Ⅰ脫氟、除硫酸根離子和，過濾，濾液經精制Ⅱ等一系列操作得到磷酸。
（1）氫氟酸與SiO2反應生成二元強酸H2SiF6，該反應的離子方程式為6HF+SiO2=2H+++2H2O。
（2）精制Ⅰ中，按物質的量之比n(Na2CO3):n()=1:1加入Na2CO3脫氟，該反應的化學方程式為H2SiF6+ Na2CO3=Na2SiF6↓+CO2↑+ H2O，充分反應后得到沉淀Na2SiF6，溶液中有飽和的Na2SiF6，且c(Na+)=2c()，根據Na2SiF6的溶度積和沉淀溶解平衡方程式可知Ksp=c2(Na+) c()=4c3()，c() =mol L-1，因此c(Na+)=2c()=mol L-1；同時，粗磷酸中還有硫酸鈣的飽和溶液，同理可得c(Ca2+)=c()=mol L-1；分批加入一定量的BaCO3，當BaSiF6沉淀開始生成時，c(Ba2+)=mol L-1，當BaSO4沉淀開始生成時，c(Ba2+)=mol L-1，因此，首先轉化為沉淀的離子是，然后才是。
（3）根據圖甲中的坐標信息，酸解后，在所得100℃、P2O5%為45的混合體系中，石膏存在形式為CaSO4 0.5H2O；CaSO4在硫酸中的溶解度小于在水中的，因此，洗滌時使用一定濃度的硫酸溶液而不使用水的原因是：減少CaSO4的溶解損失，提高產品石膏的產率；洗滌液X中含有硫酸，其具有回收利用的價值，由于酸解時使用的也是硫酸，因此，回收利用洗滌液X的操作單元是：酸解。由圖甲信息可知，溫度越低，越有利于實現酸解所得石膏結晶的轉化，由圖乙信息可知，位于65℃線上方的晶體全部以CaSO4 0.5H2O形式存在，位于80℃線下方，晶體全部以CaSO4 2H2O形式存在，在兩線之間的以兩種晶體的混合物形式存在：
A．P2O5%=15、SO3%=15，由圖乙信息可知，該點坐標位于兩個溫度線之間，故不能實現晶體的完全轉化，A不符合題意；
B．P2O5%=10、SO3%=20，由圖乙信息可知，該點坐標位于兩個溫度線（65℃、80℃）之間，故不能實現晶體的完全轉化，B不符合題意；
C．P2O5%=10、SO3%=30，由圖乙信息可知，該點坐標位于65℃線上方，晶體全部以CaSO4 0.5H2O形式存在，故不能實現晶體轉化，C不符合題意；
D．P2O5%=10、SO3%=10，由圖乙信息可知，該點坐標位于80℃線下方，晶體全部以CaSO4 2H2O形式存在，故能實現晶體的完全轉化，D符合題意；
綜上所述，能實現酸解所得石膏結晶轉化的是D。
6．[2021·湖南卷]可用于催化劑載體及功能材料的制備。天然獨居石中，鈰(Ce)主要以形式存在，還含有、、、等物質。以獨居石為原料制備的工藝流程如下：
回答下列問題：
（1）鈰的某種核素含有58個質子和80個中子，該核素的符號為_______。
（2）為提高“水浸”效率，可采取的措施有___________________(至少寫兩條)。
（3）濾渣Ⅲ的主要成分是_____________(填化學式)；
（4）加入絮凝劑的目的是_______________________。
（5）“沉鈰”過程中，生成的離子方程式為_____________________，常溫下加入的溶液呈_______(填“酸性”“堿性”或“中性”)。(已知：的，的，)
（6）濾渣Ⅱ的主要成分為，在高溫條件下，、葡萄糖()和可制備電極材料，同時生成和，該反應的化學方程式為______________________。
（1）
（2）適當升高溫度，將獨居石粉碎等
（3）Al(OH)3、Fe(OH)3
（4）促使Al(OH)3膠體和Fe(OH)3膠體聚沉，便于分離
（5）↓+3CO2↑；堿性
（6）3++66+9CO↑+6H2O
【解析】焙燒濃硫酸和獨居石的混合物，水浸，轉化為Ce2(SO4)3和H3PO4，與硫酸不反應，轉化為Al2(SO4)3，轉化為Fe2(SO4)3，轉化為CaSO4和HF，酸性廢氣含HF；后過濾，濾渣Ⅰ為和磷酸鈣、FePO4，濾液主要含H3PO4、Ce2(SO4)3、Al2(SO4)3、Fe2(SO4)3，加氯化鐵溶液除磷，濾渣Ⅱ為FePO4；聚沉將鐵離子、鋁離子轉化為沉淀，過濾除去，濾渣Ⅲ主要為氫氧化鋁，還含氫氧化鐵；加碳酸氫銨沉鈰得Ce2(CO3)3·nH2O。
（1）鈰的某種核素含有58個質子和80個中子，則質量數為58+80=138，該核素的符號為；
（2）為提高“水浸”效率，可采取的措施有適當升高溫度，將獨居石粉碎等；
（3）結合流程可知，濾渣Ⅲ的主要成分是Al(OH)3、Fe(OH)3；
（4）加入絮凝劑的目的是促使Al(OH)3膠體和Fe(OH)3膠體聚沉，便于分離；
（5）用碳酸氫銨“沉鈰”，則結合原子守恒、電荷守恒可知生成的離子方程式為↓+3CO2↑；銨根離子的水解常數Kh()=≈5.7×10-10，碳酸氫根的水解常數Kh()=≈2.3×10-8，則Kh()（6）由在高溫條件下，、葡萄糖()和可制備電極材料，同時生成和可知，該反應中Fe價態降低，C價態升高，結合得失電子守恒、原子守恒可知該反應的化學方程式為3++66+9CO↑+6H2O。
7．[2021·河北卷]綠色化學在推動社會可持續發展中發揮著重要作用。某科研團隊設計了一種熔鹽液相氧化法制備高價鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產生廢棄物，實現了Cr—Fe—Al—Mg的深度利用和Na+內循環。工藝流程如圖：
回答下列問題：
（1）高溫連續氧化工序中被氧化的元素是_______(填元素符號)。
（2）工序①的名稱為__________。
（3）濾渣Ⅰ的主要成分是______________(填化學式)。
（4）工序③中發生反應的離子方程式為__________________________________。
（5）物質V可代替高溫連續氧化工序中的NaOH，此時發生的主要反應的化學方程式為____________________，可代替NaOH的化學試劑還有_______(填化學式)。
（6）熱解工序產生的混合氣體最適宜返回工序_______(填“①”或“②”或“③”或“④”)參與內循環。
（7）工序④溶液中的鋁元素恰好完全轉化為沉淀的pH為______。(通常認為溶液中離子濃度小于10-5mol L-1為沉淀完全；Al(OH)3+OH-Al(OH)：K=100.63，Kw=10-14，Ksp[A1(OH)3]=10-33)
（1）Fe、Cr
（2）溶解浸出
（3）MgO、Fe2O3
（4）2Na++2+2CO2+H2O=+2NaHCO3↓
（5）4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2Fe2O3+16CO2+8H2O；Na2CO3
（6）②
（7）8.37
【解析】由題給流程可知，鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣在高溫下連續氧化發生的反應為，在熔融氫氧化鈉作用下，Fe(CrO2)2被氧氣高溫氧化生成鉻酸鈉和氧化鐵，氧化鋁與熔融氫氧化鈉反應轉化為偏鋁酸鈉，氧化鎂不反應；將氧化后的固體加水溶解，過濾得到含有氧化鎂、氧化鐵的濾渣Ⅰ和含有過量氫氧化鈉、鉻酸鈉、偏鋁酸鈉的濾液；將濾液在介穩態條件下分離得到鉻酸鈉溶液、氫氧化鈉溶液和偏鋁酸鈉溶液；向鉻酸鈉溶液中通入過量的二氧化碳得到重鉻酸鈉和碳酸氫鈉沉淀；向偏鋁酸鈉溶液中通入過量的二氧化碳氣體得到氫氧化鋁沉淀和碳酸氫鈉；向濾渣Ⅰ中通入二氧化碳和水蒸氣，氧化鎂與二氧化碳和水蒸氣反應轉化為碳酸氫鎂溶液；碳酸氫鎂溶液受熱分解得到碳酸鎂固體和二氧化碳、水蒸氣，二氧化碳、水蒸氣可以在工序②循環使用；碳酸鎂高溫煅燒得到氧化鎂。
（1）由分析可知，高溫連續氧化工序中被氧化的元素是鐵元素和鉻元素，故答案為：Fe、Cr；
（2）由分析可知，工序①為將氧化后的固體加水溶解浸出可溶性物質，故答案為：溶解浸出；
（3）由分析可知，濾渣Ⅰ的主要成分是氧化鎂和氧化鐵，故答案為：MgO、Fe2O3；
（4）工序③中發生的反應為鉻酸鈉溶液與過量的二氧化碳反應生成重鉻酸鈉和碳酸氫鈉沉淀，反應的離子方程式為2Na++2+2CO2+H2O=+2NaHCO3↓，故答案為：2Na++2+2CO2+H2O=+2NaHCO3↓；
（5）碳酸氫鈉代替高溫連續氧化工序中的氫氧化鈉發生的主要反應為高溫下，Fe(CrO2)2與氧氣和碳酸氫鈉反應生成鉻酸鈉、氧化鐵、二氧化碳和水，反應的化學方程式為4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2Fe2O3+ 16CO2+8H2O；若將碳酸氫鈉換為碳酸鈉也能發生類似的反應，故答案為：4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO38Na2CrO4+2Fe2O3+16CO2+8H2O；
（6）熱解工序產生的混合氣體為二氧化碳和水蒸氣，將混合氣體通入濾渣Ⅰ中可以將氧化鎂轉化為碳酸氫鎂溶液，則混合氣體最適宜返回工序為工序②，故答案為：②；
（7）工序④溶液中的鋁元素恰好完全轉化為沉淀的反應為Al(OH)+H+Al(OH)3+H2O，反應的平衡常數為K1====1013.37，當為10-5mol/L時，溶液中氫離子濃度為=mol/L=10-8.37mol/L，則溶液的pH為8.37，故答案為：8.37。
8．[2021·山東卷]工業上以鉻鐵礦(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等雜質)為主要原料制備紅礬鈉(Na2Cr2O7 2H2O)的工藝流程如圖。回答下列問題：
（1）焙燒的目的是將FeCr2O4轉化為Na2CrO4并將Al、Si氧化物轉化為可溶性鈉鹽，焙燒時氣體與礦料逆流而行，目的是_________________________________。
（2）礦物中相關元素可溶性組分物質的量濃度c與pH的關系如圖所示。當溶液中可溶組分濃度c≤1.0×10-5mol L-1時，可認為已除盡。
中和時pH的理論范圍為________；酸化的目的是_______________；Fe元素在_______(填操作單元的名稱)過程中除去。
（3）蒸發結晶時，過度蒸發將導致_______________；冷卻結晶所得母液中，除Na2Cr2O7外，可在上述流程中循環利用的物質還有__________。
（4）利用膜電解技術(裝置如圖所示)，以Na2CrO4為主要原料制備Na2Cr2O7的總反應方程式為：4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑。則Na2Cr2O7在_____(填“陰”或“陽”)極室制得，電解時通過膜的離子主要為___________。
（1）增大反應物接觸面積，提高化學反應速率
（2）4.5≤pH≤9.3；使2CrO+2H+Cr2O+H2O平衡正向移動，提高Na2Cr2O7的產率；浸取
（3）所得溶液中含有大量Na2SO4 10H2O；H2SO4
（4）陽；Na＋
【解析】以鉻鐵礦(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等雜質)為主要原料制備紅礬鈉(Na2Cr2O7 2H2O)過程中，向鉻鐵礦中加入純堿和O2進行焙燒，FeCr2O4轉化為Na2CrO4，Fe(II)被O2氧化成Fe2O3，Al、Si氧化物轉化為NaAlO2、Na2SiO3，加入水進行“浸取”，Fe2O3不溶于水，過濾后向溶液中加入H2SO4調節溶液pH使、轉化為沉淀過濾除去，再向濾液中加入H2SO4，將Na2CrO4轉化為Na2Cr2O7，將溶液蒸發結晶將Na2SO4除去，所得溶液冷卻結晶得到Na2Cr2O7 2H2O晶體，母液中還含有大量H2SO4。據此解答。
（1）焙燒時氣體與礦料逆流而行，目的是利用熱量使O2向上流動，增大固體與氣體的接觸面積，提高化學反應速率，故答案為：增大反應物接觸面積，提高化學反應速率。
（2）中和時調節溶液pH目的是將、轉化為沉淀過濾除去，由圖可知，當溶液pH≥4.5時，Al3+除盡，當溶液pH＞9.3時，H2SiO3會再溶解生成，因此中和時pH的理論范圍為；將Al元素和Si元素除去后，溶液中Cr元素主要以和存在，溶液中存在平衡：2CrO+2H+Cr2O+H2O，降低溶液pH，平衡正向移動，可提高Na2Cr2O7的產率；由上述分析可知，Fe元素在“浸取”操作中除去，故答案為：；使2CrO+2H+Cr2O+H2O平衡正向移動，提高Na2Cr2O7的產率；浸取。
（3）蒸發結晶時，Na2SO4主要以Na2SO4 10H2O存在，Na2SO4 10H2O的溶解度隨溫度升高先增大后減小，若蒸發結晶時，過度蒸發將導致所得溶液中含有大量Na2SO4 10H2O；由上述分析可知，流程中循環利用的物質除Na2Cr2O7外，還有H2SO4，故答案為：所得溶液中含有大量Na2SO4 10H2O；H2SO4。
（4）由4Na2CrO4+4H2O2Na2Cr2O7+4NaOH+2H2↑+O2↑可知，電解過程中實質是電解水，陽極上水失去電子生成H＋和O2，陰極上H+得到電子生成H2，由2CrO+2H+Cr2O+H2O可知，在氫離子濃度較大的電極室中制得，即Na2Cr2O7在陽極室產生；電解過程中，陰極產生氫氧根離子，氫氧化鈉在陰極生成，所以為提高制備Na2Cr2O7的效率，Na＋通過離子交換膜移向陰極，故答案為：陽；Na＋。

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