1、微专题微专题 4 4元素及其化合物在工业流程题中的考查元素及其化合物在工业流程题中的考查 无机工业流程题是以真实的工业生产过程为背景,以体现学生能力立意的命题为指导思想, 综合考查学生的基础知识及将已有知识灵活应用在生产实际中解决问题的能力;以元素化合物 的性质知识为载体,综合氧化还原、强弱电解质、平衡移动原理、电化学、物质结构等理论知 识以及实验的基本操作,对考生的思维能力进行综合考查。其题型结构特点、呈现形式、设问 角度如下图所示: 典型案例 例(2020 山东,16,12 分)用软锰矿(主要成分为 MnO2,含少量 Fe3O4、Al2O3)和 BaS 制备高纯 MnCO3的工艺流程如下:
2、 已知:MnO2是一种两性氧化物;25 时相关物质的Ksp见下表。 物质Fe(OH)2Fe(OH)3Al(OH)3Mn(OH)2 Ksp110 -16.3 110 -38.6 110 -32.3 110 -12.7 回答下列问题: (1)软锰矿预先粉碎的目的是,MnO2与 BaS 溶液 反应转化为 MnO 的化学方程式为。 (2)保持 BaS 投料量不变,随 MnO2与 BaS 投料比增大,S 的量达到最大值后无明显变化,而 Ba(OH)2的量达到最大值后会减小,减小的原因是。 (3)滤液可循环使用,应当将其导入到操作中(填操作单元的名称)。 (4)净化时需先加入的试剂 X 为(填化学式),再
3、使用氨水调溶液的 pH,则 pH 的理论最 小值为(当溶液中某离子浓度c1.010 -5molL-1时,可认为该离子沉淀完全)。 (5)碳化过程中发生反应的离子方程式为。 答案(1)增大接触面积,充分反应,提高反应速率 MnO2+BaS+H2OBa(OH)2+MnO+S (2)过量的 MnO2消耗了产生的 Ba(OH)2 (3)蒸发 (4)H2O24.9 (5)Mn 2+HCO 3 -+NH 3H2O MnCO3+NH4 +H 2O 解析(1)预先粉碎软锰矿,可以增大接触面积,充分反应,从而提高反应速率和原料的利用 率。从题给流程图中可以看出,MnO2和 BaS 溶液反应除生成 MnO 外,还
4、生成 S 和 Ba(OH)2,根据得 失电子守恒和原子守恒可得反应的化学方程式为 MnO2+BaS+H2OMnO+Ba(OH)2+S。(2)由题给 信息可知 MnO2是一种两性氧化物,故可与 Ba(OH)2反应,Ba(OH)2的量会减少。(3)蒸发结晶析出 Ba(OH)2,过滤后,滤液是饱和的 Ba(OH)2溶液,其中含有 Ba(OH)2,为循环使用,可将其导入到蒸 发操作中。(4)为除尽 Fe 2+,可加入 H 2O2将其氧化为 Fe 3+。由题表中相关物质的 Ksp可知,Fe 3+完全 沉淀需要的 pH 比 Al 3+完全沉淀所需 pH 小,溶液 pH 只需达到 Al3+完全沉淀所需 pH
5、 即可;设 Al3+恰 好完全沉淀时溶液中 OH -浓度为 xmolL -1,则 1.010-5x3=110-32.3,x=10-9.1,pOH=9.1,pH=14- 9.1=4.9。(5)碳化过程中生成 MnCO3的反应为 Mn 2+HCO 3 - MnCO3+H +,生成的 H+再和所加氨 水反应生成 NH4 +,故反应的离子方程式为 Mn2+HCO 3 -+NH 3H2O MnCO3+NH4 +H 2O。 规律方法 该题设计了通过软锰矿制备高纯 MnCO3的流程,着重考查了原料转化为产品的生产原理、除 杂并分离提纯产品;物质的循环使用,节约经济成本,提高产量和产率;物质的推断;陌生离子方
6、 程式的书写;Ksp的相关计算等知识。解答该类题的解题思路如下: 1.阅读题干和题目的问题(带着问题去阅读),能做到: (1)明确流程的目的; (2)利用首尾分析法,粗略判断要除去的杂质(可以从物质的角度、离子的角度、元素的角 度); (3)将问题和工艺流程图相结合,看所涉及的物质是否熟悉,从这两个方面来决定是否要掌 握流程中每一步产生的物质的情况。 2.分段分析,前后联系推断物质。 (2020 江西名校联考)镓是制作高性能半导体的重要原料。工业上常从锌矿冶炼的废渣中回收 镓。已知某锌矿渣主要含 Zn、Si、Pb、Fe、Ga 的氧化物,利用该矿渣制镓的工艺流程如下: 已知:镓在元素周期表中位于
7、第四周期第A 族,化学性质与铝相似。 lg 20.3,lg 30.48。 部分物质的Ksp如下表所示。 物质Zn(OH)2Ga(OH)3Fe(OH)2Fe(OH)3 Ksp1.610 -17 2.710 -31 810 -16 2.810 -39 (1)滤渣 1 的主要成分是(写化学式)。 (2)加入 H2O2的目的是(用离子方程式表示)。 (3)调 pH 的目的是;室温条件下,若浸出液中各阳离子的浓 度均为 0.01 mol/L,当溶液中某种离子浓度小于 110 -5 mol/L 时即认为该离子已完全除去,则 pH 应调节的范围为。 (4)操作 D 包括:,过滤、洗涤、干燥。 (5)制备、精
8、炼金属 Ga。 电解法制备金属镓。用惰性电极电解 NaGaO2溶液即可制得金属镓,写出阴极电极反应 式:。 电解法精炼金属镓(粗镓中含 Zn、Fe、Cu 等杂质,已知氧化性:Zn 2+Ga2+Fe2+Cu2+)。 下列有关电解精炼金属镓的说法正确的是(填序号)。 A.电解精炼镓时粗镓与电源的正极相连 B.电解精炼过程中,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等 C.电解后,Cu 和 Fe 沉积在电解槽底部形成阳极泥 D.若用甲烷燃料电池电解精炼金属镓,当阴极有 56.0 g 镓析出时,电池负极最多消耗标准状况 下的 CH46.72 L 答案(1)SiO2、PbSO4 (2)2Fe 2+H 2O2+2
9、H + 2Fe 3+2H 2O (3)使 Fe 3+、Ga2+沉淀完全而 Zn2+不沉淀 5.48pHKspFe(OH)3,Ga 3+完全沉淀时 Fe3+也已经完全沉淀,浓度小于 110-5 mol/L,c(OH -)=3 ?spGa(OH)3 ?(Ga3+) = 3 2.710-31 110-5 mol/L=310 -9mol/L,c(H+)=1 310 -5 mol/L,pH=-lg 1 3 10-5=5.48,Zn 2+开始沉淀时 c(OH -)= ?spZn(OH)2 ?(Zn2+) = 1.610-17 0.01 mol/L=410 -8 mol/L,c(H +)=1 410 -6
10、mol/L,pH=-lg 1 4 10-6=6.6,则 pH 应调节的范围为 5.48pH6.6。(4)操作 D 包括:蒸发浓缩, 冷却结晶,过滤、洗涤、干燥等。(5)电解 NaGaO2溶液制备 Ga,Ga 元素的化合价由+3 降为 0,GaO2 -转化为 Ga,为还原反应,电解时还原反应在阴极发生,阴极的电极反应式为 GaO 2 -+2H 2O+3e - Ga+4OH -。电解精炼镓时粗镓与电源的正极相连,已知离子氧化性:Zn2+Ga2+Fe2+GaFeCu,则阳极上 Zn、Ga 失电子进入电解质溶液,Fe、Cu 以金属单质进入电 解质溶液,则阳极泥成分是 Fe、Cu,阴极上 GaO2 -得电子发生还原反应生成 Ga,电极反应式为 GaO2 -+2H 2O+3e - Ga+4OH -;甲烷燃料电池负极电极反应为 CH 4+10OH -8e- CO3 2-+7H 2O,所以 标准状况下: 8Ga3CH4 870 g322.4 L 56.0 g6.72 L 但是电解精炼镓时能量的利用率达不到 100%,实际所消耗标准状态下的 CH4体积大于 6.72 L。 故 A、C 说法正确。
