第12章　第55讲　无机化工流程题的解题策略(二)

第55讲无机化工流程题的解题策略(二)[复习目标]1.了解萃取与反萃取法富集微量金属离子的应用。2.能根据元素的去向，综合运用相关化学反应原理分析化工流程中物质的转化、沉淀的生成与溶解等问题。考点一微量金属离子的富集措施——萃取与反萃取1.化工流程中萃取与反萃取路线图示2.从平衡移动的角度理解萃取与反萃取原理方法原理实例离子交换法一般是通过离子交换树脂让杂质离子与离子交换树脂中的离子进行等电荷交换，从而达到去除目的如氢型离子交换树脂(HR)可使水中的钙离子、镁离子等发生反应：2HR+M2+=MR2+2H+而除去有机萃取法一般是采用有机试剂萃取特定的金属离子，在进行分液操作后，再从有机试剂中将特定金属离子反萃取出来，从而达到分离除杂的目的如Cu2+(水相)+2RH(有机相)⥬CuR2(有机相)+2H+(水相)1.[2024·江苏，14(2)①]含铁滤渣用硫酸溶解，经萃取、反萃取提纯后，用于制备铁酸铋。用含有机胺(R3N)的有机溶剂作为萃取剂提纯一定浓度的Fe2(SO(R3NH)2SO4+Fe3++SO42-+H2OH++(R已知：(R3NH)2SO4+H++HSO4-其他条件不变，水层初始pH在0.2~0.8范围内，随水层pH增大，有机层中Fe元素含量迅速增多的原因是。

答案随水层pH增大，H+的浓度减小，(R3NH)2SO4+Fe3++SO42-+H2OH++(R3NH)2Fe(OH)(SO4)2的化学平衡向正反应方向移动，(R3NH)2SO4+H++HSO42.(2026·衡水高三模拟)某工业矿渣中主要含有GeO2·Fe2O3及少量ZnO·Fe2O3、SiO2等物质，回收金属锗的工艺流程如图1所示。已知：①pH<2时，Ge(Ⅳ)的存在形式为Ge4+；pH>11时，Ge(Ⅳ)的存在形式为GeO32-。②CaGeO(1)滤渣1的主要成分为(写化学式)。

(2)设计简单方案证明“酸浸1”后溶液中只有Fe2+而没有Fe3+：。

(3)“沉淀”时2<pH<5，含有锗元素的物质参与反应的离子方程式为。

(4)采取萃取操作可对溶液中的金属离子进行富集与分离，在一定温度、压强下，一种物质在两种互不相溶的溶剂A、B中的分配浓度之比是一个常数(分配系数k)，c(A)、c(B)分别表示溶质在A、B两种溶剂中的浓度，k=c(A)①Ge4+(水相)+4HR(有机相)⥬GeR4(有机相)+4H+(水相)，有机层中加入(填化学式)可以使萃取剂再生。

②萃取Ge的过程中，“一次萃取”与“三次萃取”的过程如图2所示。已知：萃取率=n有机相(X)n总(X)×100%加入60mL萃取剂“一次萃取”时Ge的萃取率为%(保留整数)。“三次萃取”时，“一次萃取”后Ge的残留率比“二次萃取”后的(填“高”或“低”)%。

答案(1)SiO2(2)分别取等量“酸浸1”后的溶液于两支试管中，向其中一支试管中加入KSCN溶液，溶液不变红；向另一支试管中加入K3[Fe(CN)6]溶液，溶液中有蓝色沉淀生成(合理即可)(3)Ca(OH)2+Ge4++H2O=CaGeO3+4H+(4)①H2SO4②82高24解析3.以某废催化剂(含Al2O336%、CoS20%、MoS220%、MgO8%等)为原料生产Co2O3的工艺路线如下：已知：氧化铝有α-Al2O3和γ-Al2O3两种晶型，α-Al2O3致密难溶于酸和碱。(1)焙烧前先将废催化剂研磨，其目的是。

(2)已知“焙烧除硫”后的产物有CoO、MoO3。写出Na2CO3溶液“浸取”过程反应的离子方程式：。

(3)硫酸浸泡滤渣①的实验条件为硫酸浓度为12mol·L-1、液固比为3、反应温度为60℃。该条件下，铝、钴浸出率与时间关系如图。当浸泡时间小于180min时，铝、钴浸出率随着时间的推移均增加较快；180min后铝和钴的浸出率都提高不多，且钴浸出率高于铝浸出率。试解释180min后钴浸出率高于铝浸出率的原因：。

(4)萃取剂对Al3+、Co2+的萃取率与pH的关系如图。萃取分离钴、铝的实验操作为向萃取分液后的有机相中加硫酸调pH=3~4，分液可得CoSO4溶液，，可得Al2(SO4)3溶液。

(5)“滤液③”的主要成分是(写化学式)，用途之一为。

答案(1)使焙烧反应更快更充分(2)MoO3+CO32-=MoO42-+CO2↑(3)随浸泡时间的延长，有些γ-Al2O3转化为α-Al2O3(或滤渣中含有部分α-Al2O3)(4)继续向萃取分液后的有机相中加硫酸调pH=0.5((5)(NH4)2SO4作化肥(或其他合理答案)解析(4)萃取分离钴、铝的实验操作为向萃取分液后的有机相中加硫酸调pH=3~4，分液可得CoSO4溶液，根据图像，当pH<1，在0.5左右时，Al3+的萃取率急剧减小，因此继续向萃取分液后的有机相中加硫酸调pH=0.5(或1)以下，然后分液，可得Al2(SO4)3溶液。考点二物质的转化与元素的追踪1.元素追踪的思维流程通过对比原料及目标产品中的元素组成，先将元素分类为“产品元素”和“杂质元素”，再追踪原料中和目标产品中均存在的元素，即追踪“产品元素”。2.循环物质的确定3.副产品的判断1.[2025·山东，17(1)(2)(3)(5)]采用两段焙烧-水浸法从铁锰氧化矿(主要含Fe2O3、MnO2及Co、Cu、Ca、Si等元素的氧化物)分离提取Cu、Co、Mn等元素，工艺流程如下：已知：该工艺条件下，(NH4)2SO4低温分解生成NH4HSO4，高温则完全分解为气体；Fe2(SO4)3在650℃完全分解，其他金属硫酸盐分解温度均高于700℃。回答下列问题：(1)“低温焙烧”时金属氧化物均转化为硫酸盐。MnO2与NH4HSO4反应转化为MnSO4时有N2生成，该反应的化学方程式为。“高温焙烧”温度为650℃，“水浸”所得滤渣主要成分除SiO2外还含有(填化学式)。(2)在(NH4)2SO4投料量不变的情况下，与两段焙烧工艺相比，直接“高温焙烧”，“水浸”时金属元素的浸出率(填“增大”“减小”或“不变”)。

(3)HR萃取Cu2+的反应为：2HR(有机相)+Cu2+(水相)⥬CuR2(有机相)+2H+(水相)。“反萃取”时加入的试剂为(填化学式)。(5)“沉锰”所得滤液并入“吸收”液中，经处理后所得产品导入(填操作单元名称)循环利用。答案(1)3MnO2+3NH4HSO43MnSO4+N2↑+6H2O+NH3↑Fe2O3、CaSO4(2)减小(3)H2SO4(5)低温焙烧解析(1)“高温焙烧”时温度为650℃，根据已知信息可知，Fe2(SO4)3可完全分解生成Fe2O3和SO3，“水浸”时Fe2O3不溶于水，CaSO4微溶于水，故所得滤渣主要成分除SiO2外还含有Fe2O3、CaSO4。(2)(NH4)2SO4在高温时完全分解为气体，故直接“高温焙烧”，金属氧化物转化为硫酸盐的量减小，则“水浸”时金属元素的浸出率减小。(3)“反萃取”时应使萃取反应逆向进行，故应增大c(H+)，结合得到CuSO4溶液知，加入的试剂为H2SO4。(5)“沉锰”时发生反应：MnSO4+2NH4HCO3=(NH4)2SO4+MnCO3↓+H2O+CO2↑，所得滤液主要含(NH4)2SO4，并入“吸收”液中，经处理后所得产品导入“低温焙烧”循环利用。2.[2025·河北，16(2)(3)(4)(5)(6)(7)]铬盐产品广泛应用于化工、医药、印染等领域。通过闭环生产工艺将铬铁矿转化为重铬酸钾，同时回收利用钾资源，可实现绿色化学的目标。流程如下：已知：铬铁矿主要成分是Fe(CrO2)2、Mg(CrO2)2、Al2O3、SiO2。回答下列问题：(2)煅烧工序中Fe(CrO2)2反应生成K2CrO4的化学方程式：。

(3)浸取工序中滤渣Ⅰ的主要成分：Fe2O3、H2SiO3、、(填化学式)。(4)酸化工序中需加压的原因：。

(5)滤液Ⅱ的主要成分：(填化学式)。(6)补全还原、分离工序中发生反应的化学方程式：Fe(CO)5++=Cr(OH)3↓+++CO↑(7)滤渣Ⅱ可返回工序。(填工序名称)

答案(2)4Fe(CrO2)2+7O2+16KOH8K2CrO4+2Fe2O3+8H2O(3)MgOAl(OH)3(4)增大CO2的溶解度，保证酸化反应充分进行(5)KHCO3(6)K2CrO44H2OFe(OH)3↓2KOH5(7)煅烧解析铬铁矿主要成分是Fe(CrO2)2、Mg(CrO2)2、Al2O3、SiO2，与过量KOH在空气中煅烧，生成K2CrO4、Fe2O3、MgO、K[Al(OH)4]、K2SiO3；通入KHCO3-K2CO3/CO2浸取，生成Al(OH)3、H2SiO3，Fe2O3、MgO不反应，故滤渣Ⅰ为Al(OH)3、H2SiO3、Fe2O3、MgO，通过蒸发、分离出K2CrO4固体，滤液Ⅰ中含有K2CrO4；将K2CrO4加水溶解，并通入过量CO2酸化，将K2CrO4转化为K2Cr2O7，同时有副产物KHCO3生成，将K2Cr2O7与KHCO3分离，滤液Ⅱ的主要溶质为KHCO3；Fe(CO)5作还原剂，将滤液Ⅰ中剩余的K2CrO4还原为Cr(OH)3，化学方程式为Fe(CO)5+K2CrO4+4H2O=Cr(OH)3↓+Fe(OH)3↓+2KOH+5CO↑，Fe(CO)5自身转化为Fe(OH)3进入滤渣Ⅱ，滤渣Ⅱ含有Cr(OH)3和Fe(OH)3可返回煅烧工序，KOH进一步处理得K2CO3，循环使用，据此分析。课时精练[分值：100分]1.(16分)[2024·湖北，16(2)(3)(4)]铍用于宇航器件的构筑。一种从其铝硅酸盐[Be3Al2(SiO3已知：Be2++4HA⥬BeA2(HA)2+2H+回答下列问题：(2)为了从“热熔冷却”步骤得到玻璃态，冷却过程的特点是。

(3)“萃取分液”的目的是分离Be2+和Al3+，向过量烧碱溶液中逐滴加入少量“水相1”的溶液，观察到的现象是。

(4)写出反萃取生成Na2[Be(OH)4]的化学方程式：。“滤液2”可以进入步骤再利用。答案(2)快速冷却(3)先产生白色浑浊，后浑浊消失(4)BeA2(HA)2+6NaOH=Na2[Be(OH)4]+4NaA+2H2O反萃取解析在本流程生产过程中，先将铝硅酸盐加热熔融后快速冷却得到其玻璃态，加入稀硫酸酸浸得到的滤渣成分为H2SiO3；“滤液1”中含有Be2+和Al3+，加入含HA的煤油后HA与Be2+反应生成BeA2(HA)2进入有机相中，Al3+进入“水相1”中；在有机相中加入过量氢氧化钠后，BeA2(HA)2转化为Na2[Be(OH)4]进入“水相2”中，分离出含NaA的煤油；对“水相2”加热，Na2[Be(OH)4]转化为Be(OH)2，通过过滤分离出来，最后通过一系列操作得到金属铍。(2)熔融态物质冷却凝固时，若缓慢冷却则会形成晶体，若快速冷却则会形成非晶态，即玻璃态。(3)“滤液1”中有Be2+和Al3+，加入含HA的煤油后HA将Be2+萃取到有机相中，则“水相1”中含有Al3+；若向过量烧碱溶液中逐滴加入少量“水相1”的溶液，可观察到的现象为先产生白色浑浊，后浑浊消失。(4)反萃取过程中BeA2(HA)2与烧碱反应生成Na2[Be(OH)4]，化学方程式为BeA2(HA)2+6NaOH=Na2[Be(OH)4]+4NaA+2H2O；滤液2的主要成分为NaOH，可进入反萃取步骤再利用。2.(18分)[2024·安徽，15(2)(3)(4)(5)(6)]精炼铜产生的铜阳极泥富含Cu、Ag、Au等多种元素。研究人员设计了一种从铜阳极泥中分离回收金和银的流程，如下图所示。回答下列问题：(2)“浸出液1”中含有的金属离子主要是。

(3)“浸取2”步骤中，单质金转化为HAuCl4的化学方程式为。

(4)“浸取3”步骤中，“浸渣2”中的(填化学式)转化为[Ag(S2O3)2]3-。

(5)“电沉积”步骤中阴极的电极反应式为。“电沉积”步骤完成后，阴极区溶液中可循环利用的物质为(填化学式)。

(6)“还原”步骤中，被氧化的N2H4与产物Au的物质的量之比为。

答案(2)Cu2+(3)2Au+8HCl+3H2O2=2HAuCl4+6H2O(4)AgCl(5)[Ag(S2O3)2]3-+e-=Ag↓+2S2O32-Na2S2O3(6)3解析3.(20分)(2025·四川，17)为了节约资源，减少重金属对环境的污染，一研究小组对某有色金属冶炼厂的高氯烟道灰(主要含有CuCl2、ZnCl2、CuO、ZnO、PbO、Fe2O3、SiO2等)进行研究，设计如下工艺流程。实现了铜和锌的分离回收。回答下列问题：(1)铜元素位于元素周期表第周期第族。

(2)“碱浸脱氯”使可溶性铜盐、锌盐转化为碱式碳酸盐沉淀。其中，铜盐发生反应的化学方程式为。(3)滤渣①中，除SiO2外，主要还有。

(4)“中和除杂”步骤，调控溶液pH=3.5左右，发生反应的离子方程式为。

(5)“深度脱氯”时，Cl-的存在使锌粉还原产生的Cu与Cu2+反应，生成能被空气氧化的CuCl沉淀，使Cl-被脱除。欲脱除1.0molCl-，理论上需要锌粉mol。

(6)CuCl可以通过(填字母)将其溶解，并返回到步骤中。

A.盐酸酸化、双氧水氧化B.硫酸酸化、KMnO4氧化C.硝酸酸化和氧化D.硫酸酸化、双氧水氧化(7)“电解分离”采用无隔膜电解槽，以石墨为阳极，铜为阴极。①“电解分离”时，阴极产生大量气泡，说明铜、锌分离已完成，其理由是。

②“电解分离”前，需要脱氯的原因有。

答案(1)4ⅠB(2)2CuCl2+2Na2CO3+H2O=Cu2(OH)2CO3↓+4NaCl+CO2↑[或2CuCl2+3Na2CO3+2H2O=Cu2(OH)2CO3↓+4NaCl+2NaHCO3](3)PbSO4(4)4Fe3++3Zn2(OH)2CO3+3H2O=4Fe(OH)3↓+6Zn2++3CO2↑(5)0.5(6)D碱浸脱氯(7)①阴极上放电顺序：Cu2+>H+>Zn2+，阴极产生大量气泡，说明溶液中已没Cu2+，Zn2+因氧化性弱于H+未参与反应，留在溶液中，铜、锌分离已完成②Cl-在阳极被氧化生成Cl2，污染环境，氯气可与阴极产生的氢气反应，可能会发生爆炸，存在安全隐患，且Cu与Cu2+、Cl-反应会生成CuCl沉淀，影响铜、锌分离效果解析(1)铜是29号元素，其核外电子排布为[Ar]3d104s1，位于第4周期第ⅠB族。(3)烟道灰中的PbO与稀H2SO4反应生成PbSO4沉淀，SiO2不与稀H2SO4反应，所以滤渣①中除SiO2外，还有PbSO4。(4)“中和除杂”步骤，调控溶液pH=3.5左右，此时溶液中的Fe3+会水解生成氢氧化铁，离子方程式为Fe3++3H2O⥬Fe(OH)3+3H+，加入的Zn2(OH)2CO3与H+反应，Zn2(OH)2CO3+4H+=2Zn2++3H2O+CO2↑，促进Fe3+的水解平衡正向移动并趋于完全，得到Fe(OH)3沉淀，总离子方程式为4Fe3++3Zn2(OH)2CO3+3H2O=4Fe(OH)3↓+6Zn2++3CO2↑。(5)“深度脱氯”时发生的反应为Zn+Cu2+=Zn2++Cn、Cu+Cu2++2Cl-=2CuCl，从反应可知，脱除2molCl-需要1molCu，而生成1molCu需要1molZn，所以脱除1.0molCl-，根据反应比例关系，理论上需要锌粉0.5mol。(6)CuCl要溶解并返回到前面的流程中，不能引入新的杂质离子，故应使CuCl转化为Cu2+，返回到“碱浸脱氯”步骤中。盐酸酸化和双氧水氧化能使CuCl转化为CuCl2，但会引入大量Cl-，不易除去，A错误；KMnO4氧化会引入Mn2+、K+等杂质离子，B错误；硝酸酸化和氧化会引入NO3-，C错误；硫酸酸化、双氧水氧化，将CuCl氧化为Cu2+且没引入杂质，D正确。(7)“电解分离”时，阴极发生还原反应，若阴极产生大量气泡，说明溶液中已经没有Cu2+(因为Cu2+会先在阴极得到电子被还原)，此时溶液中的H+得到电子生成H2，产生气泡，所以说明铜、锌分离已完成。“电解分离”前，需要脱氯是因为Cl-在阳极会被氧化生成Cl2，污染环境，采用无隔膜电解槽，氯气可与阴极产生的氢气反应，可能发生爆炸，存在安全隐患，同时锌粉还原产生的Cu与Cu2+、Cl-反应会生成4.(16分)[2024·河北，16(1)(2)(3)(4)]V2O5是制造钒铁合金、金属钒的原料，也是重要的催化剂。以苛化泥为焙烧添加剂从石煤中提取V2O5的工艺，具有钒回收率高、副产物可回收和不产生气体污染物等优点。工艺流程如下。已知：ⅰ.石煤是一种含V2O3的矿物，杂质为大量Al2O3和少量CaO等；苛化泥的主要成分为CaCO3、NaOH、Na2CO3等。ⅱ.高温下，苛化泥的主要成分可与Al2O3反应生成偏铝酸盐；室温下，偏钒酸钙[Ca(VO3)2]和偏铝酸钙均难溶于水。回答下列问题：(1)焙烧生成的偏钒酸盐中钒的化合价为，产生的气体①为(填化学式)。

(2)水浸工序得到滤渣①和滤液，滤渣①中含钒成分为偏钒酸钙，滤液中杂质的主要成分为(填化学式)。

(3)在弱碱性环境下，偏钒酸钙经盐浸生成碳酸钙，发生反应的离子方程式为；

CO2加压导入盐浸工序可提高浸出率的原因为；浸取后低浓度的滤液①进入(填工序名称)，可实现钒元素的充分利用。

(4)洗脱工序中洗脱液的主要成分为(填化学式)。答案(1)+5CO2(2)NaAlO2(3)HCO3-+OH-+Ca(VO3)2CaCO3+H2提高溶液中HCO3-浓度，促使偏钒酸钙转化为碳酸钙，使V(4)NaCl解析石煤和苛化泥通入空气进行焙烧，反应生成NaVO3、Ca(VO3)2、NaAlO2、Ca(AlO2)2、CaO和CO2等，水浸可分离焙烧后的可溶性物质(如NaVO3)和不溶性物质[Ca(VO3)2、Ca(AlO2)2等]，过滤后滤液进行离子交换、洗脱，用于富集和提纯VO3-，加入氯化铵溶液沉钒，生成NH4VO3，经一系列处理后得到V2O5；滤渣①在pH≈8，65~70℃的条件下加入3%NH4HCO3溶液进行盐浸，滤渣①中含有钒元素，通过盐浸，使滤渣①中的钒元素进入滤液①中，再将滤液①回流到离子交换工序，进行VO3-的富集。(1)焙烧过程中，V2O3被氧气氧化生成VO3-，偏钒酸盐中钒的化合价为+5价；CaCO3在800℃以上开始分解，生成的气体①为CO2。(2)由已知信息可知，高温下，苛化泥的主要成分与Al2O3反应生成偏铝酸钠和偏铝酸钙，偏铝酸钠溶于水，偏铝酸钙难溶于水，所以滤液中杂质的主要成分是NaAlO2。(3)在弱碱性环境下，Ca(VO3)2与HCO3-和OH-反应生成CaCO3、VO3-和H2O，离子方程式为HCO3-+OH-+Ca(VO3)2CaCO3+H2O+2VO3-；CO2加压导入盐浸工序可提高浸出率，因为CO2可提高溶液中HCO3-浓度，促使偏钒酸钙转化为碳酸钙，使VO3-5.(12分)[2025·河南，15(2)(3)]一种从预处理得到的贵金属合金粉[主要成分为Fe、Rh(铑)、Pt，含有少量SiO2]中尽可能回收铑的工艺流程如下：(2)已知“酸溶2”中Rh转化为H3[RhCl6]，则生成该物质的化学方程式为；“滤渣”的主要成分是(填化学式)。

(3)“沉铑”中得到的沉淀经“灼烧”后分解成铑单质，但夹杂少量Rh2O3和RhCl3，则“高温还原”中发生反应的化学方程式为。

答案(2)Rh+6HCl+HNO3=H3[RhCl6]+NO↑+2H2OSiO2(3)Rh2O3+3H22Rh+3H2O、2RhCl3+3H22Rh+6HCl解析(3)“沉铑”中得到的沉淀经“灼烧”后含有的少量的Rh2O3和RhCl3被氢气还原为Rh，故“高温还原”中发生反应的化学方程式为Rh2O3+3H22Rh+3H2O和2RhCl3