2025年下学期高三化学新情境问题专练（三）

2025年下学期高三化学新情境问题专练（三）一、工业流程题专项训练（一）典型例题题目：以菱锰矿（主要成分为MnCO₃，含少量Fe、Al、Ni等元素）为原料制备LiMn₂O₄的工艺流程如下：菱锰矿→硫酸溶矿→加入MnO₂→石灰乳调pH→加入BaS→电解→MnO₂→与Li₂CO₃煅烧→LiMn₂O₄已知：Ksp[Fe(OH)₃]=2.8×10⁻³⁹，Ksp[Al(OH)₃]=1.3×10⁻³³，Ksp[Ni(OH)₂]=5.5×10⁻¹⁶。问题：写出硫酸溶矿的主要化学方程式，提高溶矿速率可采取的措施有哪些？加入MnO₂的作用是什么？若用H₂O₂替代MnO₂，可能产生什么问题？溶矿后溶液pH=4，计算此时c(Fe³⁺)；用石灰乳调pH至5~7的目的是什么？电解槽中发生反应的离子方程式为？为保持电解液成分稳定需补充何种物质？（二）详细解析硫酸溶矿反应及速率提升措施化学方程式：MnCO₃+H₂SO₄=MnSO₄+CO₂↑+H₂O。提高速率的措施：粉碎矿石（增大接触面积）、加热（升高温度）、搅拌（加快扩散速率）、适当提高硫酸浓度。MnO₂的作用及H₂O₂的局限性MnO₂作为氧化剂，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺（反应：MnO₂+2Fe²⁺+4H⁺=Mn²⁺+2Fe³⁺+2H₂O），便于后续沉淀分离。若用H₂O₂，其易分解（尤其在酸性、加热条件下），导致氧化剂利用率降低，且过量H₂O₂可能氧化Mn²⁺，引入新杂质。离子浓度计算及pH调节目的pH=4时，c(OH⁻)=10⁻¹⁰mol/L，根据Ksp[Fe(OH)₃]=c(Fe³⁺)·c³(OH⁻)，解得c(Fe³⁺)=2.8×10⁻³⁹/(10⁻³⁰)=2.8×10⁻⁹mol/L，已达沉淀完全标准（<10⁻⁵mol/L）。调pH至5~7可使Al³⁺转化为Al(OH)₃沉淀（此时c(Al³⁺)=1.3×10⁻³³/(10⁻⁹)³=1.3×10⁻⁶mol/L），而Ni²⁺不沉淀（c(Ni²⁺)·c²(OH⁻)=Q=1×10⁻⁴×(10⁻⁷)²=10⁻¹⁸<Ksp）。电解反应及电解液补充电解Mn²⁺生成MnO₂：Mn²⁺+2H₂O$\xlongequal{电解}$MnO₂↓+4H⁺+2e⁻（阳极）；阴极反应为2H⁺+2e⁻=H₂↑，总反应离子方程式：Mn²⁺+2H₂O$\xlongequal{电解}$MnO₂↓+H₂↑+2H⁺。反应消耗H₂O生成H⁺，需补充H₂O以维持电解液体积和浓度稳定。（三）方法总结原料预处理阶段：粉碎、加热、搅拌等操作的目的是“增大接触面积、加快反应速率”，需结合反应原理规范表述。氧化还原反应分析：根据元素价态变化判断氧化剂/还原剂（如MnO₂→Mn²⁺为还原反应，故其作氧化剂），陌生方程式需标注电子得失守恒（如Fe²⁺→Fe³⁺失1e⁻，MnO₂→Mn²⁺得2e⁻，系数比为2:1）。沉淀分离计算：离子沉淀完全的判据：c(Mⁿ⁺)≤10⁻⁵mol/L；调节pH范围需结合Ksp计算，确保目标离子沉淀完全而主元素离子不沉淀。二、实验探究题专项训练（一）典型例题题目：某小组探究“MOFs材料对水中Cr(VI)的吸附性能”，实验步骤如下：①制备MOFs材料：将Zn(NO₃)₂·6H₂O与对苯二甲酸溶于DMF，120℃反应12h，离心分离得白色固体，洗涤后烘干。②吸附实验：取50mL含Cr(VI)废水（初始浓度c₀=100mg/L），加入0.1gMOFs，恒温振荡，不同时间取样，用二苯碳酰二肼分光光度法测剩余Cr(VI)浓度，结果如下表：时间/min0102030405060c(mg/L)100684225181515问题：简述MOFs材料洗涤操作的具体步骤，如何判断洗涤干净？计算30min时Cr(VI)的去除率，吸附平衡时间为多少？若将MOFs用量增至0.2g，平衡时c(Cr(VI))如何变化？简述理由。设计实验验证“吸附过程是否伴随Cr(VI)的还原”（已知Cr³⁺在酸性条件下与二苯碳酰二肼无显色反应）。（二）详细解析洗涤操作及判断标准洗涤步骤：向离心管中加入无水乙醇（或蒸馏水），振荡后离心，弃去上清液，重复2~3次。判断洗净的方法：取最后一次洗涤液，滴加AgNO₃溶液，若无白色沉淀（NO₃⁻的检验），则说明洗涤干净。去除率计算及平衡时间30min时去除率=(c₀-c)/c₀×100%=(100-25)/100×100%=75%。由表中数据可知，50~60min时c不再变化，故平衡时间为50min。MOFs用量对吸附平衡的影响平衡时c(Cr(VI))降低。理由：MOFs为吸附剂，用量增加使吸附位点增多，平衡时吸附量增大，剩余Cr(VI)浓度减小（前提：溶液体积和初始浓度不变）。还原过程验证实验设计实验方案：取吸附平衡后的悬浊液，过滤得MOFs固体；用稀H₂SO₄溶解固体（MOFs材料不溶于酸），取滤液分为两份；一份滴加二苯碳酰二肼，若不变色（无Cr(VI)），另一份滴加KSCN溶液，若变红（含Fe³⁺，假设MOFs含Fe元素）或直接用ICP-MS检测Cr³⁺，则证明吸附伴随还原。（三）方法总结实验操作规范：洗涤：“试剂+操作+重复次数”，判断洗净需检测“目标离子”（如NO₃⁻、Cl⁻等）；离心/过滤后固体/液体的处理：需明确“保留滤渣”还是“保留滤液”。数据处理与误差分析：去除率、转化率等计算需用“(初始-平衡)/初始”公式，注意单位统一（如mg/L换算为mol/L）；吸附平衡的判断依据：“连续两次测量浓度不变”。实验设计逻辑：验证某过程是否发生（如还原反应），需检测“特征产物”（如Cr³⁺的检验），并排除干扰因素（如原溶液中是否含Cr³⁺）。三、综合解题策略（一）工业流程题“三阶段”分析法原料预处理：酸浸/碱浸：溶解目标元素（如MnCO₃溶于H₂SO₄），杂质元素转化为离子（如Fe²⁺、Al³⁺）；灼烧/焙烧：分解碳酸盐（如CaCO₃→CaO）、氧化低价元素（如FeS₂→Fe₂O₃）。核心反应与分离：氧化还原：根据“价态变化”写方程式（如Mn²⁺→MnO₂为氧化反应，需氧化剂）；沉淀分离：调节pH的计算步骤为“由Ksp求c(OH⁻)→算pH→确定范围”。产品制备与循环：电解/煅烧：关注电极反应（阳极氧化、阴极还原）、煅烧产物（如氧化物与碳酸盐反应生成含氧酸盐）；循环利用：废液中的主元素离子（如电解废液中的Mn²⁺）可返回溶矿步骤。（二）实验探究题“四步”解题法明确实验目的：如“吸附性能”需测浓度变化，“还原验证”需检测新物质生成；分析实验变量：自变量（如MOFs用量、温度）、因变量（如Cr(VI)浓度）、无关变量（如pH、振荡速率）需控制一致；数据解读与绘图：根据表格数据绘制“吸附量-时间”曲线，平衡点为曲线斜率趋近于0的点；误差分析与改进：如“吸附不完全”可能原因：MOFs用量不足、振荡时间不够，改进措施需针对性提出（如增加用量、延长时间）。四、拓展训练题题目：以废旧锂电池正极材料（LiNi₀.₅Co₀.₂Mn₀.₃O₂，含少量Al、Cu）为原料回收Ni、Co、Mn的流程如下：正极材料→碱溶→酸溶→P204萃取→反萃取→沉淀→氧化物问题：碱溶步骤的目的是除去何种杂质？写出反应方程式。酸溶时需加入H₂O₂，其作用是“氧化+溶解”，分别写出对应的离子方程式。P204萃取金属离子的顺序为Mn²⁺<Co²⁺<Ni²⁺，如何通