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[熱點題空]　第3練　化工流程中試劑用量及溫度控制分析
1.(8分)[2024·廣東，18(4)(5)]鎵(Ga)在半導體、記憶合金等高精尖材料領域有重要應用。一種從電解鋁的副產品炭渣(含C、Na、Al、F和少量的Ga、Fe、K、Ca等元素)中提取鎵及循環利用鋁的工藝如下。
工藝中，LAEM是一種新型陰離子交換膜，允許帶負電荷的配離子從高濃度區擴散至低濃度區。用LAEM提取金屬離子Mn+的原理如圖。已知：
①pKa(HF)=3.2。
②Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp為4.0×10-10。
③浸取液中，Ga(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)以[MClm](m-3)-(m=0~4)微粒形式存在，Fe2+最多可與2個Cl-配位，其他金屬離子與Cl-的配位可忽略。
(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-濃度越　　　　　　　，越有利于Ga的提取；研究表明，原料液酸度過高，會降低Ga的提取率。因此，在不提高原料液酸度的前提下，可向Ⅰ室中加入　　　　　　(填化學式)，以進一步提高Ga的提取率。
(5)“調pH”中，pH至少應大于　　　　　　　，使溶液中c(F-)>c(HF)，有利于[AlF6]3-配離子及Na3[AlF6]晶體的生成。若“結晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，則[AlF6]3-濃度為　　　　 mol·L-1。
2.(4分)[2023·湖南，17(2)]超純Ga(CH3)3是制備第三代半導體的支撐源材料之一，近年來，我國科技工作者開發了超純純化、超純分析和超純灌裝一系列高新技術，在研制超純Ga(CH3)3方面取得了顯著成果，工業上以粗鎵為原料，制備超純Ga(CH3)3的工藝流程如下：
已知：金屬Ga的化學性質和Al相似，Ga的熔點為29.8 ℃。
“電解精煉”裝置如圖所示，電解池溫度控制在40~45 ℃的原因是　　　　　　　，陰極的電極反應式為　　　　。
3.(6分)(2022·福建，11)粉煤灰是火電廠的大宗固廢。以某電廠的粉煤灰為原料(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)提鋁的工藝流程如下：
回答下列問題：
(1)“浸出”時適當升溫的主要目的是　　　　　　　　　　　　　，Al2O3發生反應的離子方程式為　　　　　　　　。
(2)“浸渣”的主要成分除殘余Al2O3外，還有　　　　　。實驗測得，5.0 g粉煤灰(Al2O3的質量分數為30%)經浸出、干燥后得到3.0 g “浸渣”(Al2O3的質量分數為8%)，Al2O3的浸出率為　　　　　。
(3)“沉鋁”時，體系中三種物質的溶解度曲線如下圖所示，加入K2SO4沉鋁的目的是　　　　，“沉鋁”的最佳方案為　　　　。
(4)“焙燒”時，主要反應的化學方程式為　　　　　　　。
(5)“水浸”后得到的“濾液2”可返回　　　　工序循環使用。
4.(9分)堿式硫酸鋁[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]溶液可用于煙氣脫硫。實驗室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制備堿式硫酸鋁溶液，實驗流程如下：
已知“調pH”的反應為(2-x)Al2(SO4)3+3xCaCO3+3xH2O===2[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]+3xCaSO4+3xCO2↑。
(1)“酸浸”時適當增大H2SO4溶液濃度的目的是　　　　　。能達到相同目的的方法還有　　　　(任寫一種)。
(2)“酸浸”時應控制H2SO4溶液的用量，H2SO4溶液用量不能太多的原因是　　　　　　　。
5.(3分)一種從銅陽極泥(主要含有銅、銀、金、少量的鎳)中分離提取多種金屬元素的工藝流程如下：
“分銅”時，如果反應溫度過高，會有明顯的放出氣體現象，原因是　　　　。
6.(10分)六氟鋁酸鈉俗稱冰晶石，廣泛應用于冶鋁工業。以磷肥副產物氟硅酸銨為原料制備六氟鋁酸鈉的簡易流程如圖所示：
(1)寫出反應①的化學方程式：　　　　，適當加熱可以提高反應①的化學反應速率，但是溫度不宜過高，其原因有兩點：一是避免氨水揮發，降低反應物濃度；二是　　　　。
(2)反應③得到Na3AlF6和濾液，濾液用于反應　　　　(填“①”或“②”)循環利用。NH4F溶液不能用玻璃容器盛裝，其原因是　　　　。
(3)通過實驗得出Na3AlF6的產率與外界條件關系如圖所示(提示：溫度、時間針對反應③)。
根據上述實驗結果，可知最佳條件：反應溫度、反應時間、氫氧化鈉與氫氧化鋁的物質的量之比依次是　　　　。
答案精析
1.(4)高　NaCl　(5)3.2　4.0×10-7
解析　(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-濃度越高，越有利于生成[GaCl4]-的反應正向進行，有利于Ga的提取，在不提高原料液酸度的前提下，同時不引入新雜質，可向Ⅰ室中加入NaCl，提高Cl-濃度，進一步提高Ga的提取率。(5)由pKa(HF)=3.2，Ka(HF)==10-3.2，為了使溶液中c(F-)>c(HF)，c(H+)=×10-3.2 mol·L-1<10-3.2 mol·L-1，故pH至少應大于3.2，有利于[AlF6]3-配離子及Na3[AlF6]晶體的生成；若“結晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，根據Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp為4.0×10-10，[AlF6]3-濃度為= mol·L-1=4.0×10-7 mol·L-1。
2.確保生成的Ga為液體，便于從出料口流出　[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-
解析　鎵的熔點為29.8 ℃，電解精煉溫度需高于鎵的熔點，因此電解池溫度控制在40~45 ℃。Ga和Al性質相似，電解精煉過程中粗鎵在陽極失電子產生的Ga3+在NaOH溶液中形成[Ga(OH)4]-，[Ga(OH)4]-在陰極得電子被還原為Ga，故陰極反應為[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-。
3.(1)提高浸出率(或提高浸出速率)　Al2O3+6H+===2Al3++3H2O　(2)SiO2和CaSO4　84%　(3)使更多的鋁元素轉化為晶體析出，同時保證晶體純度　加熱溶解再冷卻結晶
(4)2KAl(SO4)2K2SO4+Al2O3+3SO3↑
[或4KAl2K2SO4+2Al2O3+6SO2↑+3O2↑]
(5)沉鋁
解析　粉煤灰中(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)加入硫酸，浸渣為二氧化硅、硫酸鈣，加入硫酸鉀，產生復鹽明礬沉鋁，干燥脫水，焙燒產生氧化鋁、硫酸鉀和SO2、O2(或SO3)，水浸除去硫酸鉀，過濾得到氧化鋁。(2)5.0 g粉煤灰中Al2O3的質量為5.0 g×30%=1.5 g，3.0 g “浸渣”中Al2O3的質量為3.0 g×8%=0.24 g，則Al2O3的浸出率為×100%=84%。(3)根據沉鋁體系中低溫下KAl(SO4)2·12H2O溶解度最小，更容易析出，加入K2SO4沉鋁的目的是使更多的鋁元素轉化為KAl(SO4)2·12H2O析出，同時保證晶體純度；KAl(SO4)2·12H2O溶解度受溫度影響較大，“沉鋁”的最佳方案為加熱溶解再冷卻結晶。(5)“水浸”后得到的“濾液2”的成分為K2SO4，可返回沉鋁工序循環使用。
4.(1)加快酸浸時的反應速率，增大浸出率　攪拌(答案合理即可)
(2)多余的硫酸會增加后續調pH步驟CaCO3的消耗量
5.溫度過高，H2O2分解放出氧氣
6.(1)(NH4)2SiF6+4NH3·H2O===6NH4F+H2SiO3↓+H2O　避免NH4F水解程度增大而損失
(2)①　NH4F水解生成HF，HF腐蝕玻璃
(3)60 ℃、60 min、2.0
解析　(1)氟硅酸銨與氨水反應，可以看成是氟硅酸銨先水解生成氟化氫、硅酸和氨水，然后氨水和氟化氫反應生成氟化銨。溫度升高，氨水揮發加快，NH4F水解程度增大。(2)反應③為Na[Al(OH)4]+6NH4F+2NaOH===Na3AlF6↓+6NH3·H2O，濾液中氨水可以用作反應①的反應物。NH4F發生水解生成HF，HF能與玻璃中的二氧化硅反應生成四氟化硅和水。(共24張PPT)
[熱點題空]
專題二　第3練　
化工流程中試劑用
量及溫度控制分析
1.[2024·廣東，18(4)(5)]鎵(Ga)在半導體、記憶合金等高精尖材料領域有重要應用。一種從電解鋁的副產品炭渣(含C、Na、Al、F和少量的Ga、Fe、K、Ca等元素)中提取鎵及循環利用鋁的工藝如下。
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工藝中，LAEM是一種新型陰離子交換膜，允許帶負電荷的配離子從高濃度區擴散至低濃度區。用LAEM提取金屬離子Mn+的原理如圖。已知：
①pKa(HF)=3.2。
②Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp為4.0×10-10。
③浸取液中，Ga(Ⅲ)和Fe(Ⅲ)以[MClm](m-3)-
(m=0~4)微粒形式存在，Fe2+最多可與2個Cl-
配位，其他金屬離子與Cl-的配位可忽略。
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(4)“LAEM提取”中，原料液的Cl-濃度越　　　，越有利于Ga的提取；研究表明，原料液酸度過高，會降低Ga的提取率。因此，在不提高原料液酸度的前提下，可向Ⅰ室中加入　　　(填化學式)，以進一步提高Ga的提取率。
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高
NaCl
“LAEM提取”中，原料液的Cl-濃度越高，越有利于生成[GaCl4]-的反應正向進行，有利于Ga的提取，在不提高原料液酸度的前提下，同時不引入新雜質，可向Ⅰ室中加入NaCl，提高Cl-濃度，進一步提高Ga的提取率。
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(5)“調pH”中，pH至少應大于　　　，使溶液中c(F-)>c(HF)，有利于[AlF6]3-配離子及Na3[AlF6]晶體的生成。若“結晶”后溶液中c(Na+)=
0.10 mol·L-1，則[AlF6]3-濃度為　　　 　 mol·L-1。
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3.2
4.0×10-7
由pKa(HF)=3.2，Ka(HF)==10-3.2，為了使溶液中c(F-)>c(HF)，c(H+)=×10-3.2 mol·L-1<10-3.2 mol·L-1，故pH至少應大于3.2，有利于[AlF6]3-配離子及Na3[AlF6]晶體的生成；若“結晶”后溶液中c(Na+)=0.10 mol·L-1，根據Na3[AlF6](冰晶石)的Ksp為4.0×10-10，[AlF6]3-濃度為= mol·L-1=4.0
×10-7 mol·L-1。
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2.[2023·湖南，17(2)]超純Ga(CH3)3是制備第三代半導體的支撐源材料之一，近年來，我國科技工作者開發了超純純化、超純分析和超純灌裝一系列高新技術，在研制超純Ga(CH3)3方面取得了顯著成果，工業上以粗鎵為原料，制備超純Ga(CH3)3的工藝流程如下：
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已知：金屬Ga的化學性質和Al相似，Ga的熔點為29.8 ℃。
“電解精煉”裝置如圖所示，電解池溫度控制在40~45 ℃的原因是
　　　 　　　　 ，陰極的電極反應式為
　　　 　。
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確保生成的Ga為液體，便于從出料口流出
[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-
鎵的熔點為29.8 ℃，電解精煉溫度需高于鎵的熔點，因此電解池溫度控制在40~45 ℃。Ga和Al性質相似，電解精煉過程中粗鎵在陽極失電子產生的Ga3+在NaOH溶液中形成[Ga(OH)4]-，[Ga(OH)4]-在陰極得電子被還原為Ga，故陰極反應為[Ga(OH)4]-+3e-===Ga+4OH-。
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3.(2022·福建，11)粉煤灰是火電廠的大宗固廢。以某電廠的粉煤灰為原料(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)提鋁的工藝流程如下：
回答下列問題：
(1)“浸出”時適當升溫的主要目的是　　 　　　　　　　　　　　，Al2O3發生反應的離子方程式為　　 　　　　　　。
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提高浸出率(或提高浸出速率)
Al2O3+6H+===2Al3++3H2O
(2)“浸渣”的主要成分除殘余Al2O3外，還有　　　 　　。實驗測得，5.0 g粉煤灰(Al2O3的質量分數為30%)經浸出、干燥后得到3.0 g “浸渣”
(Al2O3的質量分數為8%)，Al2O3的浸出率為　　　。
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SiO2和CaSO4
84%
粉煤灰中(主要含SiO2、Al2O3和CaO等)加入硫酸，浸渣為二氧化硅、硫酸鈣，加入硫酸鉀，產生復鹽明礬沉鋁，干燥脫水，焙燒產生氧化鋁、硫酸鉀和SO2、O2(或SO3)，水浸除去硫酸鉀，過濾得到氧化鋁。
5.0 g粉煤灰中Al2O3的質量為5.0 g×30%=1.5 g，3.0 g “浸渣”中
Al2O3的質量為3.0 g×8%=0.24 g，則Al2O3的浸出率為×
100%=84%。
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(3)“沉鋁”時，體系中三種物質的溶解度曲線如下圖所示，加入K2SO4沉鋁的目的是　　　　 ，“沉鋁”的最佳方案為　　 　　。
使更多的鋁元素轉化為晶體析出，同時保證晶體純度
加熱溶解再冷卻結晶
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根據沉鋁體系中低溫下KAl(SO4)2·
12H2O溶解度最小，更容易析出，加入K2SO4沉鋁的目的是使更多的鋁元素轉化為KAl(SO4)2·12H2O析出，同時保證晶體純度；KAl(SO4)2·12H2O溶解度受溫度影響較大，“沉鋁”的最佳方案為加熱溶解再冷卻結晶。
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“水浸”后得到的“濾液2”的成分為K2SO4，可返回沉鋁工序循環使用。
(4)“焙燒”時，主要反應的化學方程式為__________________________
　　　　　　　 。
(5)“水浸”后得到的“濾液2”可返回　　　　工序循環使用。
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Al2O3+3SO3↑[或4KAl 2K2SO4+2Al2O3+6SO2↑+3O2↑]
2KAl(SO4)2 K2SO4+
沉鋁
4.堿式硫酸鋁[(1-x)Al2(SO4)3·xAl(OH)3]溶液可用于煙氣脫硫。實驗室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制備堿式硫酸鋁溶液，實驗流程如下：
已知“調pH”的反應為(2-x)Al2(SO4)3+3xCaCO3+3xH2O===2[(1-x)Al2(SO4)3·
xAl(OH)3]+3xCaSO4+3xCO2↑。
(1)“酸浸”時適當增大H2SO4溶液濃度的目的是_____________________
　　　　 　。能達到相同目的的方法還有　 　　　(任寫一種)。
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加快酸浸時的反應速率，
增大浸出率
攪拌(答案合理即可)
(2)“酸浸”時應控制H2SO4溶液的用量，H2SO4溶液用量不能太多的原因是　　　　　　　 。
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多余的硫酸會增加后續調pH步驟CaCO3的消耗量
5.一種從銅陽極泥(主要含有銅、銀、金、少量的鎳)中分離提取多種金屬元素的工藝流程如下：
“分銅”時，如果反應溫度過高，會有明顯的放出氣體現象，原因是
　 　　　。
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溫度過高，H2O2分解放出氧氣
6.六氟鋁酸鈉俗稱冰晶石，廣泛應用于冶鋁工業。以磷肥副產物氟硅酸銨為原料制備六氟鋁酸鈉的簡易流程如圖所示：
(1)寫出反應①的化學方程式：
__________________________
_____________________，適
當加熱可以提高反應①的化學
反應速率，但是溫度不宜過高，
其原因有兩點：一是避免氨水
揮發，降低反應物濃度；二是　　 　　。
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(NH4)2SiF6+4NH3·H2O===
6NH4F+H2SiO3↓+H2O
避免NH4F水解程度增大而損失
氟硅酸銨與氨水反應，可以看成是氟硅酸銨先水解生成氟化氫、硅酸和氨水，然后氨水和氟化氫反應生成氟化銨。溫度升高，氨水揮發加快，NH4F水解程度增大。
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(2)反應③得到Na3AlF6和濾液，濾液用于反應　　　(填“①”或“②”)循環利用。NH4F溶液不能用玻璃容器盛裝，其原因是________________
　　　　 。
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①
NH4F水解生成HF，
HF腐蝕玻璃
反應③為Na[Al(OH)4]+6NH4F+2NaOH===Na3AlF6↓+6NH3·H2O，濾液中氨水可以用作反應①的反應物。NH4F發生水解生成HF，HF能與玻璃中的二氧化硅反應生成四氟化硅和水。
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(3)通過實驗得出Na3AlF6的產率與外界條件關系如圖所示(提示：溫度、時間針對反應③)。
根據上述實驗結果，可知最佳條件：反應溫度、反應時間、氫氧化鈉與氫氧化鋁的物質的量之比依次是　 　　　。
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60 ℃、60 min、2.0

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