题型突破2 化工生产中物质转化条件的优化与物质分离、提纯

题型突破2化工生产中物质转化条件的优化与物质

分离、提纯

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1.（2023•全国乙卷）LiMmCh作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱钵矿（MnCCh,含有少

量Si、Fe、Ni^Al等元素）制备LiMiuCh的流程如下:

硫松MnO2石灰乳BaS

菱

镒

反应器分离器一电解槽-

矿

丁

滤渣电解废液

碳酸锂CO,和Oz

II

LiMn201T一烧窑―MnO2—

为提高溶矿速率,可采取的措施（举1例）。

答案粉碎菱锌矿

2.（2023・天津卷）503的吸收率与所用硫酸的浓度、温度的关系如图所示。

-8（）七

loot

97.6%98.3%99%吸收所用浓疏酸

据图分析,最适合的吸收条件;硫酸的浓度，温度

答案98.3%6()C

解析由图可知,最适合吸收三氧化硫的浓硫酸质量分数为98.3%,最适合吸收的温度为60°C,此时

吸收率最高。

3.（2022・辽宁卷）某工厂采用辉钿矿（主要成分为Bi2s3,含有FeS2、SiCh杂质）与软锦矿（主要成分为

MnO?）联合焙烧法制备BiOCl和MnSCX工艺流程如下：

滤液

(MnCU、FeCl?溶液)

己知:①焙烧时过量的MnCh分解为MwO羽FeSt转变为FezCh;

②金属活动性:Fe>(H)>Bi>Cu;

③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下:

开始沉淀pH完全沉淀pH

Fe2+6.58.3

Fe3+1.62.8

Mn2+8.110.1

回答下列问题:

(1)为提高焙烧效率，可采取的措施为

a.进一步粉碎矿石

b.鼓入适当过量的空气

c.降低焙烧温度

(2)Bi2s3在空气中单独焙烧生成出2。3,反应的化学方程式为

(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为:①充分浸出Bi3+和Mn2+;

②_________________________________________________________________

(4)滤渣的主要成分为(填化学式)。

(5)生成气体A的离子方程式为_____________________________

(6)加入金属Bi的目的是,,

⑺将100kg辉钿矿进行联合焙烧，转化时消耗1.1kg金属Bi,假设其余各步损失不计，干燥后称量

BiOQ产品质量为32kg,滴定测得产品中Bi的质量分数为78.5%。辉锡矿中Bi元素的质量分数

为o

答案⑴ab

高温

(2)2Bi2s3+902—12Bi2O?+6SO2

(3)抑制金属离子水解

(4)SiO2

+2+

(5)Mn2O3+6H+2Cl===2Mn+Cl2t+3H2O

(6)将Fe3+转化为Fe2+

(7)24.02%

解析联合焙烧:由已知信息①和第(2)问题干可知，发生转化:Bi2s3—->Bi2Os+SO2xFeS2—

-FMh+SCh、MnO2——>Mn2O+MnS04,故联合焙烧后得到的2。3、Fez。.?、MmCh、MnSCh和

SiO2冰浸:MnSCh进入滤液.滤渣为BizCh、FezCKMmCh和SiCh:酸浸:加入过量浓盐酸后B2O3和

3

FezOs发生转化:Bi2O3—>Bi\Fe2O3—->&3+,因MmCh有氧化性.会与浓盐酸发生氧化还原反

应:Mn2O3+6H++2Cr==2Mn2++Q2T+3H20,气体A为Ch,滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiCh,滤液中金

属离子为Bi3\be3\Mif+：第⑷⑸间转化:由已知信息②知,Fe的金属活动性强于Bi,且调pH=2.6

2+

时MM+和Fe2+进入滤液,可知加入金属Bi的目的是将Fe3一还原为FeO(l)a.联合焙烧时，进一步粉

碎矿石，可以增大矿石与空气的接触面积，能够提高焙烧效率，选项a符合题意;b.鼓入适当过量的空

气有利于矿石充分反应、选项b符合题意;c.降低焙烧温度，反应速率减慢,不利于提高焙烧效率，选项

C不符合题意。(2)Bi2s3在空气中单独焙烧生成Bi203,根据原子守恒可知还应生成SCh,结合得失电

高温

子守恒，反应的化学方程式为2Bi2s3+9O2-2Bi2O3+6SCh;(3)加入浓盐酸后，溶液中含有的离子主要

为B产、Fe3\Mn2\C「,而酸浸后取滤液进行转化，故要防止金属离子水解生成沉淀.进入滤

渣，造成制得的BiO。产率偏低⑼滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiCh,答案为SiCh;⑸因MmCh有氧

化性，会与浓盐酸发生氧化还原反应:MmO3+6H++2Cr二二二2Mn"+C12T+3H20;(6)由已知信息③知.调

pH=2.6时,Fe3+会水解生成Fe(0H)3沉淀，但Fe?」还没开始沉淀，故要将Fe?'转化为Fe?+,在调pH后获

得含FeCb的滤液，为了不引入新的杂质.加入Bi作还原剂。(7)辉福矿中Bi元素的质量分数为

32kgx78.5%-l.lkg]4.02%O

100kg><00%=2

国核心整合

1.反应条件的优化

条件控制目的

固体原料研

增大反应物接触面积，增大浸取时的

磨、粉碎、

反应速率，提高浸取率

喷洒等

灼烧（煨烧、除去有机物;使无机物分解为金属氧

焙烧）化物等，便于后续浸取、溶解

水浸:分离水溶性和非水溶性的物质

酸浸:溶解金属、金属氧化物、调节

pH促进某些离子的水解并转化为

浸取

沉淀

碱浸:除去油污、溶解酸性氧化物、

溶解铝及其化合物、调节pH等

①加快反应或溶解速率;②促进平衡

向吸热反应方向移动;③除杂，除去

热不稳定的杂质，如NaHCCh、

加热Ca（HCO3）2>KMnO4>NH4cl等物

质；④使沸点相对较低或易升华的原

料气化;⑤煮沸时促进溶液中的气体

（如氧气）挥发逸出等

条件控制目的

①酸浸时提高酸的浓度可提高矿石

中某金属元素的浸取率;②增大便

反应物用宜、易得的反应物的浓度，可以提高

量或浓度其他物质的利用率,使反应充分进

行;③增大物质浓度可以加快反应速

率，使平衡发生移动等

①控制反应速率（升温加快反应速

率）、适宜的温度使催化剂的活性最

大,防止副反应的发生;②控制化学

控温（常用水反应进行的方向，使化学平衡移动；

浴、冰浴、③升温:使溶液中的气体逸出，使易

沙浴或油浴）挥发物质挥发，使易分解的物质分

解;煮沸:使气体逸出;促进水解，聚沉

后利于过滤分离;④控制固体的溶解

与结晶

①使某种或几种金属离子转化为氢

氧化物沉淀，而目标离子不生成沉

淀，以达到分离的目的（常利用题给

金属离子开始沉淀和完全沉淀的

pH信息，选择pH范围，使杂质离子

以氢氧化物沉淀出来）;②"酸作用”

还可以除去氧化物（膜）、抑制某些

金属离子的水解等;③“碱作用''还可

pH调控

以除去油污、除去铝片表面的氧化

铝、溶解铝等;④金属离子的萃取率

与溶液的pH密切相关;⑤调节溶液

pH常用试剂a调节溶液呈酸性:稀

盐酸、稀硫酸、稀硝酸（注意氧化

性）、金属氧化物、酸性气体（二氧

化硫）等。b.调节溶液呈碱性:氢氧化

钠、氨水、碳酸钠、碳酸氢镂等

2.可循环利用物质的判断

⑴流程图中回头箭头的物质。

（2）生产流程中后面新生成或新分离的物质（不要忽视结晶后的母液），可能是前面某一步反应的相关

物质。

①从流程需要加入的物质去找

先观察流程中需要加入的物质,再研究后面的流程中有没有生成此物质。

②从能构成可逆反应的物质去找

可逆反应的反应物不能完全转化，应该回收再利用。

③从过滤后的母液中寻找

析出晶体经过过滤后的溶液称为母液，母液是该晶体溶质的饱和溶液，应该循环再利用。

3.常考分离、提纯的操作

（1）从滤液中提取一般晶体（溶解度随温度升高而增大）的方法:蒸发浓缩T冷却结晶T过滤T洗涤T

干燥T称量。

（2）从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法:蒸发浓缩T趁热过滤

（如果温度下降，杂质也会以晶体的形式析出来）一洗涤一王燥一直量。

⑶减压蒸发的原因:减压蒸发降低了蒸发温度,可以防止某物质分解（如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3）

或失去结晶水（如题目要求制备结晶水合物产品）。

（4）洗涤

洗涤试剂适用范围目的

除去固体表面吸附着的

冷XX杂质,可适当降低固

产物不溶于水

水体因为溶解而造成的损

■法、、、

失

储

有特殊的物质除去固体表面吸附着的

水

/执、、、其溶解度随着XX杂质,可适当降低固

水温度升高而下体因为温度变化溶解而

降造成的损失

减少固体溶解;利用有

有机溶剂固体易溶于

机溶剂的挥发性除去固

（酒精、水、难溶于有

体表面的水分，产品易

丙酮等）机溶剂

干燥

对纯度要求不

饱和溶液减少固体溶解

高的产品

除去固体表面吸附着的

酸、碱溶产物不溶于

可溶于酸、碱的杂质；

液酸、碱

减少固体溶解

沉淀洗涤的方法:向过滤器中加入蒸储ZK至覆没沉

淀，待水自然流下后,重复以上操作2〜3次

检验沉淀是否洗涤干净的方法:取少量最后一次的

洗涤液于试管中，向其中滴入某试汛若未出现特征

反应现象，则沉淀洗涤干净

(5)萃取与反萃取

①萃取:利用物质在两种互不相溶的溶剂中的溶解度不同,将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂的过

程。如用CC14萃取黑水中的Bn。

②反萃取:用反萃取剂使被萃取物从负载有机相返回水相的过程，为萃取的逆过程。

(6)其他

①蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCh.AIQ3、MgCL等溶质时，应在HC1的气流中

加热,以防其水解。

②减玉蒸储的原因:减小压强，使液体沸点降低，防止受热分解、氧化等。

4.根据溶解度曲线判断结晶的方法

(1)溶解度受温度影响较小的(如NaCl)采取蒸发结晶的方法。

(2)溶解度受温度影响较大的采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。

(3)带有结晶水的盐，一般采取蒸发浓缩、冷却结晶的方法。

您模拟预测

l.BiOCl为白色结晶性粉末,溶于酸，不溶于水,可用作医药、化妆品方面的增臼收敛剂。某工厂采用

辉铀矿(主要成分为Bi2s3,含有FeSz、SiCh杂质)与软锦矿(主要成分为MnCh)联合焙烧法制备

BiOCl,工艺流程如图所示。

滤液

（MnCL'FeCI?溶液）

已知:①联合焙烧时过量的MiQ分解为Mn203；@2Bi0C14-20H===2Cr+H20+Bi203o

为提高联合焙烧效率，可采取的措施是(任写一种)，实验室中焙烧用到的主要仪器有三脚架、

泥三角、酒精灯、0

答案将矿渣进一步粉碎、鼓入适当过量的空气或焙烧过程中不断搅拌地摒、用烟钳

2.重铝酸钾是一种重要的化工原料，一般由格铁矿制备，络铁矿的主要成分为FeO-C「2O3,还含有硅、

铝等杂质。制备流程如图所示：

铭滤渣1

①熔网、氧化②水浸

铁熔块

、a2c5、NaNO.,过您⑤调pH=7

滤液I

过淹

滤渣2卜

-50：声与滤液3卜④调PH|滤液2卜

有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KC1,蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到七5。7固

体。冷却到(填字母)得到的K2Cr2O7固体产品最多。

a.80Cb.60℃c.40℃d.10℃

(

O400

.Na,CrO；

H32()2

21()

WWI

W160

M«(

)K,Cr2O.

60

、KCI

刿40NaCI

崇

斐020406()BO10()

代

步骤⑤的反应类型是

答案d复分解反应

3.磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO2、SiO2>AI2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约

和充分利用资源,通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

(NH,)2SOt热水氨水

高钛炉渣

酸酸溶渣热水母液②

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表:

金属离子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+

开始沉淀的pH2.23.59.512.4

沉淀完全(c=l.()x

3.24.711.113.8

1()-5mol.L-1)的pH

回答下列问题：

⑴“水浸”后“滤液”的pH约为2.0,在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6,依次析出的金属离子

是O

(2)“母液①”中Mg2+浓度为mol-L'o

(3)“水浸渣”在160℃“酸溶”,最适合的酸是o"酸溶渣”的成分

是、。

(4)“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热,TiO2+水解析出TiCh£H2O沉淀,该反应的离子方程式

是o

(5)将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得，循环利用。

答案(l)Fe3+>Al3\Mg2+

(2)1.OxIO6

⑶硫酸SiO2CaSO4

.△

(4)TiO2++(.v+l)H2O=_TiCh・xFhOJ+2H+

(5)(NH4)2SO4

解析(1)由题表中Fe3+、Al3\Mg2+完全沉淀时的pH分别为3.2、4.7、11.1可知.用氨水逐步调

32

节pH至11.6的过程中，依次析出的金属离子是FC3+、Al\Mg%(2)依据Mg2+完全沉淀时的

2+52+2

可知此时c(OH)=l()29molLL此时c(Mg)=l(rmolL」,则KyP[Mg(OH)2]=c(Mg)-c(OH-

)—10/°也用氨水逐步调节pH至11.6时,c(OH)—1024molL”,贝ij0(M/+)—怨!薛我一建"mol-L^

⑶“水浸渣”在160°C“酸溶工为了尽可能减少酸溶液的挥发而造成不必要的损失且保证TQ可以完

全溶解.故最好选择硫酸;SiCh不溶于硫酸，"焙烧''生成CaS04固体.故“酸溶”后所得“酸溶渣”的成分

为SiCh、CaSO4o(4)由题意知,TiCP+水解生成TiC^HhO沉淀，该反应的离子方程式为

△

2++

TiO+(x+1)H2O-Ti02-xH201+2Ho(5)母液①的主要成分为硫酸镂和氨水，母液②的主要成分为

硫酸，混合后吸收尾气NH3,经处理可得到(NH4)2SO4,循环利用。

4.研究从太阳能电池的确化镉吸收层(主要含CdTe、CdS)中回收碗具有重要的意义。某回收工艺

的流程如下：

NaNO,JLO,HCIH.ON?NaBH,

回答下列问题：

(1)反应釜中,溶液的pH、温度(7)与生成沉淀的关系如图居中区域分别表示铁的化合物稳定存在的

区域。则制备FeOOH适宜的pH和温度分别为(填字母)。

a.2,80℃b.4,90℃

c.5,160℃d.6,25℃

(2)制备磁性纳米铁棒时，加入NaBHi前先通入N2的作用是

(3)常温下，若在含Cd2\Te”+滤液中加入NaOH溶液调节pH为7,溶液中c(Cd2+)的最大值为

(已知:Ksp[Cd(OH)2]=5.3xl()*。

(4)从TeO算溶液得至「吸附Te”,利用了纳米铁棒的性质有、。

答案(l)b(2)排出设备中的空气防止磁性纳米铁棒和NaBH4被氧化(3)0.53mol-L」

(4)吸附性还原性

解析(2)磁性纳米铁棒和NaBK都容易被氧化，所以在加入NaBK之前需通入N2排出反应容器中

的空气。(3)常温下，溶液的pH=7,则c(OH)=1.0xlO-7molt,根据Ksp[Cd(OH)2]=5.3xlO/5,可计算

CcP"的浓度:以CcPj%黎川味黑；mol-Ll=0.53mol-L^o(4)含TeOg的溶液和磁性纳米铁

棒作用,Te的化合价降低,被纳米铁棒还原，磁性纳米铁棒还能吸附Te,故在得到Te的过程中,磁性纳

米铁棒呈现了还原性和吸附性。

5.⑴碘化亚铜(Cui)是阳极射线管覆盖物，不溶于水和乙醇。下图是工业上由冰铜制取无水碘化亚铜

的流程。

空气「气体A

冰铜泡铜„O0°___________

(Cu2S'TT~pr(C.O、.；；・溶液[-沉淀1

FeS)12KCCu)b加热1------'c过滤1------

L松2RI先水洗.再乙醇洗涤

J熔成BCuI晶体------------------