2024鲁科版新教材高中化学选择性必修1
专题强化练7 工艺流程题
1.软锰矿的主要成分为MnO2,还含有Fe2O3、MgO、Al2O3、CaO、SiO2等杂质,工业上用软锰矿制取MnSO4·H2O的流程如图:
已知:部分金属阳离子完全沉淀时的pH如下表。
金属阳离子 Fe3+ Al3+ Mn2+ Mg2+
完全沉淀时的pH 3.2 5.2 10.4 12.4
(1)“浸出”过程中MnO2转化为Mn2+的离子方程式为
。
(2)第1步除杂中形成的滤渣1的主要成分为 (填化学式),调pH至5~6所加的试剂,可选择 (填字母)。
a.CaO b.MgO
c.Al2O3 d.氨水
(3)第2步除杂,主要是将Ca2+、Mg2+转化为相应的氟化物沉淀除去,写出MnF2除去Mg2+的离子方程式: ,该反应的平衡常数为 (保留两位有效数字)。(已知:MnF2的Ksp=5.3×10-3 mol3/L3;CaF2的Ksp=1.5×10-10 mol3/L3;MgF2的Ksp=7.4×10-11 mol3/L3)
(4)取少量MnSO4·H2O溶于水,配成溶液,测其pH发现该溶液显酸性,原因是 (用离子方程式表示)。
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。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 。
3.(2021重庆南开中学月考)某冶炼厂采用萃取法回收镓锗铜后的废渣中含有Zn(Ⅱ)、Fe(Ⅱ)、Al(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、As(Ⅴ)的硫酸盐及氧化物。现欲利用废渣采用以下工艺流程制备工业活性氧化锌和无水硫酸钠。
该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀时的pH如下表所示:
金属离子 Fe3+ Fe2+ Al3+ Mn2+ Zn2+ Cd2+
开始沉淀 时的pH 1.9 7.0 3.0 8.1 6.4 7.5
完全沉淀 时的pH 3.2 9.0 4.7 10.1 8.0 9.7
回答下列问题:
(1)酸浸氧化
①“酸浸氧化”时温度对金属离子沉淀率的影响如图,由图可知“酸浸氧化”的最佳温度为 。
②“酸浸氧化”中Fe2+和Mn2+均被Na2S2O8氧化,其中Mn2+被氧化后生成难溶于水的黑色沉淀。写出Mn2+被氧化的离子方程式: 。
(2)“中和沉淀”前后溶液中相关元素的含量(g/L)如下表所示:
Zn As Fe Al Cd
中和前 45 0.35 0.8 3.1 4
中和后 43 0.12 0.08 0.1 3.9
①“中和沉淀”中随滤渣除去的元素除Al外,还有 (填元素符号)。
②“中和沉淀”后滤液②的pH=4.0,由此估算氢氧化铝的溶度积常数为 (保留两位有效数字)。
(3)“除镉”中加入的试剂X与溶液中的镉离子发生置换反应,则滤渣③的主要成分为 。
(4)若碱式碳酸锌的化学式为ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O,写出“沉锌”反应的化学方程式: 。
答案全解全析
1.答案 (1)MnO2+SO2 S+Mn2+
(2)Al(OH)3、Fe(OH)3 ab
(3)MnF2+Mg2+ Mn2++MgF2 7.2×107
(4)Mn2++2H2O Mn(OH)2+2H+
解析 根据题意和流程图可知,软锰矿的主要成分为MnO2,还含有Fe2O3、MgO、Al2O3、CaO、SiO2等杂质,加硫酸溶液溶解后再加入SO2,发生反应SO2+MnO2 MnSO4;过滤,向浸出液中先加H2O2,再调节浸出液的pH至5~6,铁离子、铝离子都转化为沉淀而除去,则滤渣1为Fe(OH)3、Al(OH)3;然后向过滤后的滤液中加入MnF2除去Ca2+、Mg2+;最后将滤液蒸发浓缩、趁热过滤,得到MnSO4·H2O。
(1)SO2能将MnO2还原为MnSO4,故“浸出”过程中MnO2转化为Mn2+的离子方程式为MnO2+SO2 S+Mn2+。
(2)根据上述分析可知,滤渣1为Fe(OH)3、Al(OH)3,除杂过程中不能引入新的杂质,所以可加氧化钙、氧化镁调节溶液的pH。
(3)MnF2和Mg2+反应生成MgF2和Mn2+,离子方程式为MnF2+Mg2+ Mn2++MgF2,该反应的平衡常数K====
≈7.2×107。
(4)MnSO4是强酸弱碱盐,Mn2+在水溶液中水解而使溶液呈酸性,水解方程式为Mn2++2H2O Mn(OH)2+2H+。
2.答案 (1)+2 (2)SiO2 (3)TiOC+H2O TiO2↓+2H++4Cl-
(4)反应温度过高时,过氧化氢、一水合氨都会受热分解,使得Ti元素浸出率下降 (5)(NH4)2Ti5O15+2LiOH Li2Ti5O15+2NH3·H2O (6)LiFePO4-e- FePO4+Li+
解析 (1)根据题给信息知,FeTiO3可表示为FeO·TiO2,则化合物FeTiO3中铁元素的化合价是+2价。
(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转化成TiO2反应的离子方程式为TiOC+H2O TiO2↓+2H++4Cl-。
(4)二氧化钛能与氨水、双氧水反应生成(NH4)2Ti5O15,温度过高,过氧化氢和一水合氨都受热分解,使Ti元素浸出率下降。
(5)反应③中Ti5与Li+结合,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·H2O。
(6)阳极发生氧化反应,根据总反应可知,该电池充电时的阳极反应式为LiFePO4-e- FePO4+Li+。
3.答案 (1)①90 ℃ ②Mn2++S2+2H2O MnO2↓+2S+4H+
(2)①Fe、As ②3.7×10-33 mol4/L4
(3)Cd
(4)3ZnSO4+3Na2CO3+3H2O ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O+
3Na2SO4+2CO2↑
解析 (1)①由图可知,“酸浸氧化”的最佳温度为90 ℃。②“酸浸氧化”中Fe2+和Mn2+均被Na2S2O8氧化,其中Mn2+被氧化后生成难溶于水的黑色沉淀,应为二氧化锰,反应的离子方程式为Mn2++S2+2H2O
MnO2↓+2S+4H+。
①根据题表中数据可知,“中和沉淀”前后Fe、Al、As的量都明显减少,则随滤渣除去的元素除Al外还有Fe、As元素。②“中和沉淀”后滤液②的pH=4.0,此时Al的含量为0.1 g/L,所以Al3+的物质的量浓度为≈3.7×10-3 mol/L,故Ksp[Al(OH)3]=c平(Al3+)×
(OH-)=3.7×10-3 mol/L×(10-10 mol/L)3=3.7×10-33 mol4/L4。
(3)“除镉”中加入的试剂X与溶液中的镉离子发生置换反应,应生成单质Cd,即滤渣③的主要成分为Cd。
(4)“沉锌”为硫酸锌和碳酸钠反应生成ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O、Na2SO4和CO2,该反应的化学方程式为3ZnSO4+3Na2CO3+3H2O ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O+3Na2SO4+
2CO2↑。
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