2023年全国高三化学期末压轴题解析

2023年全国高三化学期末压轴题解析已知：1.酸浸时，Co₂O₃转化为Co²⁺，并有气体产生。2.萃取剂对金属离子的萃取率随溶液pH变化如图（此处省略，假设已知Fe³⁺、Al³⁺在较低pH即可被萃取，Co²⁺在较高pH时才被萃取）。3.相关金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表：金属离子Fe³⁺Al³⁺Fe²⁺Co²⁺Pb²⁺:-------:---:---:---:---:---开始沉淀pH1.93.07.07.68.0完全沉淀pH3.25.09.09.29.8请回答下列问题：（1）“粉碎”的目的是_________________。酸浸时所用的酸可能是_______（填化学式），Co₂O₃与酸反应的离子方程式为_________________________。（2）“调pH”步骤中，应控制的pH范围是_______，目的是_________________。滤渣1的主要成分是_________________。（3）“萃取”步骤中，为提高Co²⁺的萃取率，应控制的pH范围是_______（结合已知信息2推断）。“反萃取”时加入的试剂最可能是_______（填“酸”或“碱”）。（4）加入(NH₄)₂C₂O₄时，若溶液酸度过高，会导致的后果是_________________。（5）设计实验方案验证CoC₂O₄·2H₂O晶体已经洗涤干净：_________________。（6）若称取mg含钴废料，最终得到ngCoC₂O₄·2H₂O晶体，则钴的回收率为_______（列出计算式即可）。（7）已知25℃时，Ksp(CoC₂O₄)=4.0×10⁻⁶。向0.1mol/L的(NH₄)₂C₂O₄溶液中加入等体积的CoCl₂溶液，开始产生CoC₂O₄沉淀时，CoCl₂溶液的最小浓度为_______。---逐问解析与思路点拨（1）“粉碎”的目的是_________________。酸浸时所用的酸可能是_______（填化学式），Co₂O₃与酸反应的离子方程式为_________________________。*解析：*第一空：“粉碎”是化工流程题中的常见操作，其目的通常是增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料浸出率。这是化工生产中提高效率的基本措施。*第二空：酸浸所用的酸，需要考虑后续工艺。由于最终产物是CoC₂O₄·2H₂O，且流程中未提及引入难以去除的阴离子，常用的酸为H₂SO₄。若用HCl，Cl⁻可能被Co₂O₃（强氧化性）氧化为Cl₂，且Cl⁻可能对后续萃取有影响；用HNO₃则会引入NO₃⁻，也可能在酸性条件下氧化Co²⁺或与其他物质反应。*第三空：Co₂O₃与酸反应，Co元素从+3价被还原为Co²⁺（题目信息），则酸中的H⁺被氧化为H₂（气体产生）。离子方程式为：Co₂O₃+6H⁺+2Cl⁻=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O？或者Co₂O₃+2H⁺+H₂C₂O₄=...？不对，题目明确说“酸浸时”，此时草酸还未加入。所以应该是Co₂O₃作氧化剂，将酸中的某种还原性离子氧化，或者自身歧化？更可能的是，题目暗示的气体是H₂，即H⁺被还原。但Co₂O₃（类似Fe₂O₃，但氧化性更强）与非氧化性酸反应，通常不会产生H₂。若酸是H₂SO₄，且没有还原性物质，Co₂O₃可能难以溶解。因此，这里更合理的是酸浸时使用的是盐酸，Co₂O₃将Cl⁻氧化为Cl₂气体。所以离子方程式为：Co₂O₃+6H⁺+2Cl⁻=2Co²⁺+Cl₂↑+3H₂O。（此处需要根据题目信息“气体产生”和常见反应综合判断，若题目信息未明确酸的种类，H₂SO₄和HCl都是可能的，但Cl⁻被氧化产生Cl₂气体更符合“气体产生”的描述。）（2）“调pH”步骤中，应控制的pH范围是_______，目的是_________________。滤渣1的主要成分是_________________。*解析：*滤液1中含有Co²⁺、Fe³⁺、Al³⁺、Fe²⁺（可能由Fe₂O₃酸浸产生Fe³⁺，若有还原性物质或Co³⁺可能将部分Fe²⁺氧化，但题目未明确Fe的价态，根据表格数据有Fe²⁺和Fe³⁺，但酸浸时若用了H₂SO₄且Co₂O₃氧化性强，可能Fe元素主要以Fe³⁺存在）、Pb²⁺等。*“调pH”的目的是通过水解沉淀法去除部分杂质离子。根据表格数据，Fe³⁺完全沉淀pH=3.2，Al³⁺完全沉淀pH=5.0，而Co²⁺开始沉淀pH=7.6。为了将Fe³⁺和Al³⁺沉淀除去，而Co²⁺、Pb²⁺（可能还有Fe²⁺）留在溶液中，应控制pH范围在5.0≤pH<7.6。这样Al³⁺可以完全沉淀，Fe³⁺早已完全沉淀。*因此，滤渣1的主要成分是Fe(OH)₃和Al(OH)₃。*（思考：为何不先除Fe²⁺？因为Fe²⁺开始沉淀pH=7.0，若要除Fe²⁺，pH需调到9.0，此时Co²⁺也已开始沉淀。所以通常会先将Fe²⁺氧化为Fe³⁺再沉淀，但题目流程中未提及氧化步骤，可能酸浸时Fe₂O₃溶解为Fe³⁺，或Co₂O₃已将其氧化。因此，此处假设Fe主要以Fe³⁺形式存在。）（3）“萃取”步骤中，为提高Co²⁺的萃取率，应控制的pH范围是_______（结合已知信息2推断）。“反萃取”时加入的试剂最可能是_______（填“酸”或“碱”）。*解析：*已知信息2：萃取剂对Fe³⁺、Al³⁺在较低pH即可被萃取，Co²⁺在较高pH时才被萃取。而经过“调pH”步骤后，Fe³⁺、Al³⁺已被沉淀除去（滤渣1），滤液2中主要含有Co²⁺、Pb²⁺等。此处“萃取”的目的应该是进一步分离Co²⁺和其他杂质离子（如Pb²⁺）。要提高Co²⁺的萃取率，应选择Co²⁺萃取率高，而Pb²⁺萃取率低的pH范围。根据题目暗示“Co²⁺在较高pH时才被萃取”，而Pb²⁺的开始沉淀pH为8.0。因此，应控制pH在7.6≤pH<8.0之间。此时Co²⁺开始被萃取，而Pb²⁺尚未沉淀且可能萃取率较低，从而进入水相被除去。*“反萃取”是将有机相中的Co²⁺转移到水相中。根据萃取原理，若Co²⁺在较高pH时易被萃取（形成中性或带负电的配合物进入有机相），则在较低pH（酸性条件）下，H⁺会与萃取剂结合，使Co²⁺释放出来进入水相。因此，反萃取时应加入酸。（4）加入(NH₄)₂C₂O₄时，若溶液酸度过高，会导致的后果是_________________。*解析：*(NH₄)₂C₂O₄是弱酸弱碱盐，C₂O₄²⁻会与H⁺结合生成HC₂O₄⁻或H₂C₂O₄。溶液酸度过高，H⁺浓度大，会使得C₂O₄²⁻浓度降低。CoC₂O₄的沉淀溶解平衡为：CoC₂O₄(s)⇌Co²⁺(aq)+C₂O₄²⁻(aq)。当C₂O₄²⁻浓度降低时，Qc<Ksp，CoC₂O₄沉淀不完全，导致产率降低。（5）设计实验方案验证CoC₂O₄·2H₂O晶体已经洗涤干净：_________________。*解析：*晶体表面可能吸附的杂质离子主要来自母液，如NH₄⁺、SO₄²⁻（若酸浸用H₂SO₄）、Cl⁻（若酸浸用HCl）等。通常检验最后一次洗涤液中是否含有这些离子。*假设母液中主要杂质离子为SO₄²⁻（来自H₂SO₄酸浸和(NH₄)₂C₂O₄可能引入的少量SO₄²⁻，或反萃取用酸为H₂SO₄）。*实验方案：取最后一次洗涤液少许于试管中，滴加稀盐酸酸化，再加入BaCl₂溶液，若没有白色沉淀生成，则证明晶体已经洗涤干净。（若检验NH₄⁺，操作较复杂；检验Cl⁻则需排除SO₄²⁻干扰。选择SO₄²⁻作为检验对象较为简便。）（6）若称取mg含钴废料，最终得到ngCoC₂O₄·2H₂O晶体，则钴的回收率为_______（列出计算式即可）。*解析：*回收率=（实际回收的Co的质量/废料中Co的总质量）×100%。*废料中Co的总质量未知，但题目未给出废料中Co的质量分数，因此此处的“回收率”应指从进入“含Co²⁺溶液”中的Co最终转化为产品的比例，还是从原始废料中的Co？题目表述为“钴的回收率”，通常指后者。但由于废料中Co的总质量=m(废料)×ω(Co)，而ω(Co)未知，因此题目可能默认是指浸出并最终转化为产品的Co与废料中总Co的比值，或者题目中的“回收率”在此处简化为产品中Co的质量与废料中Co的质量之比。*产品中Co的质量=ng×(Co的相对原子质量/CoC₂O₄·2H₂O的摩尔质量)=n×(59/(59+24+64+36))=n×(59/183)。*因此，钴的回收率=[n×59/183]/(m×ω(Co))×100%。但由于ω(Co)未知，题目可能隐含“假设废料中Co全部以Co₂O₃形式存在”，则废料中Co的质量=m×[(2×59)/(2×59+48)]=m×(118/166)。*所以，回收率计算式为：(n×59/183)/(m×118/166)×100%或化简为(n×59×166)/(m×118×183)×100%。（118=2×59，166=2×59+3×16）。（7）已知25℃时，Ksp(CoC₂O₄)=4.0×10⁻⁶。向0.1mol/L的(NH₄)₂C₂O₄溶液中加入等体积的CoCl₂溶液，开始产生CoC₂O₄沉淀时，CoCl₂溶液的最小浓度为_______。*解析：*等体积混合后，各物质浓度变为原来的一半。设加入的CoCl₂溶液的初始浓度为cmol/L。*混合后，c(C₂O₄²⁻)=0.1mol/L/2=0.05mol/L。*c(Co²⁺)=c/2mol/L。*开始产生沉淀时，Qc=Ksp。即c(Co²⁺)×c(C₂O₄²⁻)=Ksp。*(c/2)×0.05=4.0×10⁻⁶*解得c=(4.0×10⁻⁶×2)/0.05=1.6×10⁻⁴mol/L。*因此，CoCl₂溶液的最小浓度为1.6×10⁻⁴mol/L。解题反思与应试策略通过对以上典型压轴题的解析，我们可以总结出解答此类综合题的一般思路和应试策略：1.审清题意，明确目标：首先通读整个流程和题目设问，理解工艺流程的目的（制备什么物质，分离什么杂质），明确各步骤的作用。圈点关键信息，如已知条件、数据表格、图像等。2.知识联想，合理迁移：将题目情境与已学的元素化合物知识、化学反应原理（电离、水解、沉淀溶解平衡、氧化还原、速率与平衡等）、实验操作技能等联系起来。例如，看到“调pH”就想到水解沉淀，看到“萃取”就想到物质在不同溶剂中的溶解性差异。3.分析流程，突破关键：按照流程顺序，逐环节分析：*