2013无机综合应用（工艺生产流程）.docx

专题十一：无机综合应用（生产工艺流程为背景）【例题】2010年广东卷32碳酸锂广泛应用于陶瓷和医药等领域。以-锂辉石（主要成分为Li2OAl2O34SiO2）为原料制备Li2CO3的工艺流程如下：已知：Fe3、Al3、Fe2和Mg2以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的pH分别为3.2、5.2、9.7和12.4；Li2SO4、LiOH和Li2CO3在303 K下的溶解度分别为34.2 g、12.7 g和1.3 g。步骤I前，-锂辉石要粉碎成细颗粒的目的是_。步骤I中，酸浸后得到的酸性溶液中含有Li、SO，另含有Al3、Fe3、Fe2、Mg2、Ca2、Na等杂质，需在搅拌下加入_（填“石灰石”、“氯化钙”或“稀硫酸”）以调节溶液的pH到6065，沉淀部分杂质离子，然后分离得到浸出液。步骤II中，将适量的H2O2溶液、石灰乳和Na2CO3溶液依次加入浸出液中，可除去的杂质金属离子有 。步骤III中，生成沉淀的离子方程式为_。从母液中可回收的主要物质是_。【分析】本题是一个工艺生产背景，目的是用锂、铝硅酸盐制备Li2CO3。大致浏览流程图知道第段是把锂元素转移到溶液中，第段是除去杂质，第段是反应生成产品。第（1）小题，固体粉碎后接着进行酸浸，要发生化学反应，故其直接目的是增大固体与硫酸的接触面积，增大了反应速率，间接目的是使单位时间内锂元素的浸出率更高。第（2）小题，要求用调节pH的方法使杂质离子沉淀除去，显然需要用到题干中几种阳离子的沉淀pH信息，调节前是酸浸得到的溶液，硫酸必然是过量的故酸性较强，调节的目的应该是使pH升高，故应加入可以中和酸的物质。第（3）小题，隐含的信息更多了，这时需要把物质的转化流程梳理一下：调节pH到6.5只能除去H、Al3、Fe3，而且还引入了Ca2，说明还存在的杂质离子是Fe2、Mg2、Ca2、Na，H2O2溶液是氧化剂可将Fe2氧化为Fe3，石灰乳可接着将Mg2和Fe3沉淀，而Na2CO3溶液可将Ca2沉淀，而Na仍然在溶液中。第（4）小题，溶液中主要是Li2SO4，结合题干中的溶解度信息，生成的沉淀应该是Li2CO3。第（5）小题，沉淀反应发生前，溶液中含大量的Li2SO4和少量Na，沉淀反应后溶液中留下大量Na2SO4和可能过量的少量Na2CO3，题目问主要物质，答Na2SO4即可。【反思】（1）解答一道工艺（实验）流程图试题的程序是什么？（参考：此类试题的题干通常包括文字说明、工艺（实验）流程以及供参考的数据（以表格、图像等呈现）。首先要通过阅读文字说明，清楚试题背景是工业生产还是实验室研究，准确抓住工艺（实验）的目的是什么，还提供了哪些信息（原料成分？含量？产品成分？从用途能看出什么性质？）；然后整体浏览一下流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段；接下来可以先看看设问，使下一步的深入分析重点更明确；然后再带着质与量的意识具体分析各个化学过程（必要时才使用参考数据），组织语言回答设问。）（2）工艺（实验）流程图试题常常在哪些地方设问？（参考：反应速率理论的运用；滤液或滤渣主要成分的判断，反应式或离子方程式的书写；利用控制pH分离除杂；利用溶解度分离；常用分离提纯的方法、操作；流程中的物质转化和循环；绿色化学评价；）【练习】1（2008年广州一模改）聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂，其单体是液态的碱式氯化铝Al2（OH）nCl6-n。本实验采用铝盐溶液水解絮凝法制备碱式氯化铝。其制备原料为分布广、价格廉的高岭土，化学组成为：Al2O3（25%34%）、SiO2（40%50%）、Fe2O3（05%30%）以及少量杂质和水分。已知氧化铝有多种不同的结构，化学性质也有差异，且一定条件下可相互转化；高岭土中的氧化铝难溶于酸。制备碱式氯化铝的实验流程如下：煅烧浸出搅拌，调节溶液pH在4.24.5，过滤蒸发浓缩90100Al2(OH)nCl6-n高岭土A酸适量CaCO3已知：Fe3、Al3以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的pH分别为3.2、5.2。根据流程图回答下列问题：（1）“煅烧”的目的是_。（2）“浸出”过程中发生反应的离子方程式为_。（3）“浸出”选用的酸为_。配制质量分数15的A酸需要200mL30的A酸（密度约为1.15g/cm3）和_g蒸馏水，配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、_。（4）为提高铝的浸出率，可采取的措施有 _ （要求写出三条）。（5）“调节溶液pH在4245”的过程中，除添加必要的试剂，还需借助的实验用品是_；“蒸发浓缩”需保持温度在90100，控制温度的实验方法是_。（6）实验中制备碱式氯化铝反应的化学方程式为_2（2010江苏改）废旧锂离子电池的正极材料（主要含有及少量Al、Fe等）可用于回收钴、锂，实验方法如下：（1）在上述溶解过程中，被氧化成，在溶解过程中反应的化学方程式为 ，氧化剂是_。（2）在上述除杂过程中，通入空气的作用是_。废渣的主要成分是_。（3）“沉淀钴”和“沉淀锂”的离子方程式分别为_、_。（4）本工艺可回收的副产品是_。3CoCl26H2O在饲料、医药工业上有广泛的用途。下列是以含钴废料（含少量Fe、Al等杂质）为原料制取CoCl26H2O的一种新工艺流程：已知：钴与盐酸反应的化学方程式为：Co2HCl=CoCl2H2CoCl26H2O熔点86，易溶于水；常温下稳定无毒，加热至110120时，失去结晶水变成有毒的无水氯化钴。部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：沉淀物Fe(OH)3Fe(OH)2Co(OH)2Al(OH)3开始沉淀2.77.57.63.8完全沉淀3.29.79.25.2请回答下列问题：加入碳酸钠调节pH至a，a的范围是 。操作包含3个基本实验操作，它们是 和过滤。制得的CoCl26H2O需减压烘干的原因是 。为测定产品中CoCl26H2O含量，某同学将一定量的样品溶于水，再向其中加入足量的AgNO3溶液，过滤，并将沉淀烘干后称量其质量。通过计算发现产品中CoCl26H2O的质量分数大于100，其原因可能是 。在实验室中，为了从上述产品中获得更纯净的CoCl26H2O，方法是 。在上述新工艺中，用“盐酸”代替原工艺中“盐酸与硝酸的混酸”直接溶解含钴废料，其主要优点为 。原工艺较新工艺也有优点，其主要优点是 。滤渣A滤液B4以黄铁矿为原料制硫酸产生的硫酸渣中含Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO、MgO等。现以硫酸渣制备铁红(Fe2O3)，过程如下：酸溶过程中Fe2O3与稀硫酸反应的化学方程式是 。还原过程中加入FeS2是将溶液中的Fe3 +还原为Fe2 +，而本身被氧化为SO42，写出有关的离子方程式： 。氧化过程中通入空气和加入NaOH是为了将溶液中的铁元素充分转化为沉淀而析出，写出有关的离子方程式： 。生产过程中，为了确保铁红的质量，氧化过程需要调节溶液的pH的范围是_。（部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表）沉淀物Fe(OH)3Al(OH)3Fe(OH)2Mg(OH)2开始沉淀2.73.87.59.4完全沉淀3.25.29.712.4 滤液B可以回收的物质有_。固体含镍废催化剂碱液酸液碱浸操作b保温一段时间操作a酸浸操作aH2O2调pH为2-3操作c溶液固体操作aNiSO47H2O晶体5某化学研究性学习小组通过查阅资料，设计了如下图所示的方法以含镍废催化剂为原料来制备NiSO47H2O。已知某化工厂的含镍催化剂主要含有Ni，还含有Al（31%）、Fe（1.3%）的单质及氧化物，其他不溶杂质(3.3%)。部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时的pH如下：沉淀物Al(OH)3Fe(OH)3Fe(OH)2Ni(OH)2pH5.23.29.79.2回答下列问题： 操作a、c中需使用的仪器除铁架台（带铁圈）、酒精灯、烧杯、玻璃棒外还需要的主要仪器为 。 “碱浸”过程中发生的离子方程式是 。“酸浸”时所加入的酸是 （填化学式）。酸浸后，经操作a分离出固体后，溶液中可能含有的金属离子是 。 操作b为调节溶液的pH，你认为pH的最佳调控范围是 。“调pH为23”的目的是 。 产品晶体中有时会混有少量绿矾（FeSO47H2O），其原因可能是 _。6. ：某工厂对制革工业污泥中Cr（III）回收与再利用工艺如下（硫酸浸取液中金属离子主要是Cr3+，其次是Fe3、Al3+、Ca2+、Mg2+）：部分阳离子常温下以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：阳离子Fe3+Fe2+Mg2+Al3+Cu2+Cr3+开始沉淀时的pH1.97.04.7沉淀完全时的pH3.29.011.186.79（9溶解） （1）实验室用18.4 molL1的浓硫酸配制250 mL 4.8 molL1的硫酸溶液，所用的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒和吸量管（一种能精确量取一定体积液体的仪器）外，还需 。 （2）酸浸时，为了提高浸取率可采取的措施是 ( 3 ) 加入H2O2的作用是_ 调节溶液的pH8是为了除去 离子。 （4）钠离子交换树脂的原理为：MnnNaRMRnnNa，被交换的的杂质离子是_。（5）还原过程发生以下反应（请配平）：_Na2Cr2O7_SO2_ _ _ Cr（OH）（H2O）5SO4 Na2SO4；：工业废水中常含有一定量的Cr2O72和CrO42，它们会对人类及生态系统产生很大损害，必须进行处理。其中一种处理方法为电解法：该法用Fe做电极，电解含Cr2O72的酸性废水，随着电解进行，阴极附近溶液pH升高，产生Cr(OH)3沉淀。阳极的电极反应式为 。在阴极附近溶液pH升高的原因是（用电极反应方程式解释） 。7.石膏转化为硫酸钾和CaCl2的工艺流程如下：(1)CO2是一种很重要的副产品，工业上获得CO2的途径是_ (用化学方程式表示)。(2)转化中发生反应的离子方程式为_，过滤得到的滤渣的主要成分是。过滤得到的滤液是，检验滤液中含有CO32-的方法是_(3)转化中发生反应的化学方程式为:_转化中可获得K2SO4的原因_。(4)上述工艺流程中体现绿色化学理念的是_8.炼锌厂产生的工业废渣锌渣（除了含Zn外，还含有Fe、Al、Cd和SiO2等杂质），利用锌渣制取并回收ZnSO47H2O和金属镉是一个有益的尝试，其流程如下：已知：Fe3+、Al3+、Zn2+、Cd2+、Fe2+以氢氧化物完全沉淀时的pH分别为：3.2，4.7，6.5，9.4，9.7；锌的金属活动性比镉强。试回答下列问题：（1）“浸出”时用到的“试剂X”为 (填名称)。（2）写出“氧化”过程的离子方式 。（3）“调pH”过程可以选用 。（从以下选项选择， 填序号） AH2SO4 BZnO CNaOH “滤渣2”的主要成分是 (填化学式，下同)。（4）“试剂Y”是_；“滤渣3”的成分为_。（5）“操作1”的方法是_ _；在“操作1”时，必须采取的实验措施是 。9（16分）硫酸工业中废渣的成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO。某探究性学习小组的同学设计以下方案，进行硫酸渣中金属元素的提取实验。已知：阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH：沉淀物Fe(OH)3Al(OH)3Mg(OH)2pH3452124一水合氨电离常数Kb=1.8105，其饱和溶液中c(OH)约为110-3molL-1。请回答：（1）写出A与氢氟酸反应的化学方程式： 。（2）上述流程中两次使用试剂X，推测试剂X是 （填以下字母编号）A水B氧化铝 C氨水 D氢氧化钠 （3）溶液D到固体E过程中需要控制溶液pH=13，如果pH过小，可能导致的后果 是 。（任写2点）（4）写出的反应离子方程式： 。（5）证明H溶液的主要阴离子（Cl、OH除外）的方法是 专题十一：无机综合应用参考答案1（1）改变高岭土中氧化铝的结构，使其能溶于酸。（2）Al2O3+6H+ = 2Al3+3H2O Fe2O3+6H+ = 2Fe3+3H2O（3）盐酸 230 量筒 （4）加热或提高反应温度，将煅烧后的块状固体粉碎，适当增大盐酸浓度，充分搅拌，延长反应时间（任答3条） 90-100（5）pH计（或精密pH试纸） 水浴加热 （6）2AlCl3 + n H2OAl2（OH）nCl6-n + n HCl2（1）（2）将正二价铁元素氧化成正三价 Al(OH)3和Fe(OH)3（3）Co22OHCo(OH)2 2LiCO32Li2CO3（4）Na2SO435.27.6 蒸发浓缩、冷却结晶降低烘干温度，防止产品分解样品中含有NaCl杂质；烘干时失去了部分结晶水 重结晶减少有毒气体的排放，防止大气污染；防止产品中混有硝酸盐硝酸替代新工艺中的盐酸和过氧化氢，比新工艺流程少，节约成本4Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4) 3 + 3H2O FeS2 + 14Fe3 + + 8H2O = 15Fe2 + + 2SO42- + 16H+4Fe2 + + O2 + 2H2O + 8OH= 4Fe(OH)3或Fe2+2OH-=Fe(OH)2, 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3(每个1分)3.23.8Al2(SO4)3、MgSO4、Na2SO45 漏斗、蒸发皿 2Al+2OH+2H2O=2AlO2+3H2、Al2O3+2OH=2AlO2+3H2O H2SO4 Ni2+ 、Fe2+ 3.29.2 防止在浓缩结晶过程中Ni2+水解 H2O2的用量不足（或H2O2失效）、保温时间不足导致Fe2未被完全氧化造成的6（16分）：（1）250mL容量瓶（1分）、胶头滴管（1分）（2）升高反应温度，搅拌，过滤后再向滤渣中加入硫酸（多次浸取），适当延长浸取时间（只要答出任意一点即可，可从反应温度、溶液的pH、搅拌速度、溶剂的配比等角度）（2分）（3）氧化+3价Cr使之转变成+6价Cr（或Cr2O72-），以便于与杂质离子分离（2