1、金属元素及其化合物 专题5 化学工艺流程题与金属冶炼金属冶炼的化学工艺流程就是将金属制备的生产过程中的主要生产阶段以框图的形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问，形成与化工生产紧密联系的化工工艺试题。中学阶段涉及的金属冶炼主要包括从铝土矿中冶炼铝、从海水中提取镁、从黄铜矿中冶炼铜。1.金属冶炼的工艺流程示意图：箭头进入的是投料(即反应物)、出去的是生成物(包括主产物和副产物)；出线和进线均表示物料流向或操作流程，可逆线表示物质循环使用。从铝土矿中冶炼铝从海水中提取镁由黄铜矿冶炼铜2.化工流程涉及的问题：解决将原料转化为产品的生产原理；除去所有杂质并分离提纯产品；提高产量与产率；减
2、少污染，实施“绿色化学”生产；原料的来源既要丰富，还要考虑成本问题；生产设备简单，生产工艺简便可行等工艺生产问题。3.化学工艺流程题答题策略：粗读题干，挖掘图示图示中一般会呈现超出教材范围的知识，但题目中往往会有提示或者问题中不涉及，所以一定要关注题目的每一个关键字，尽量弄懂流程图，但不必将每一种物质都推出，只需问什么推什么。如制备类无机化工题，可粗读试题，知道题目制取什么、大致流程和有什么提示等携带问题，精读信息这里信息包括三个方面：一是主干，二是流程图示，三是设置问题。读主干抓住关键字、词；读流程图，重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。跳跃思维，规范答题答题时应注意前后
3、问题往往没有“相关性”，即前一问未答出，不会影响后面答题。对反应条件的分析可以从以下几个方面着手：对反应速率有何影响，对平衡转化率有何影响，对综合生产效益有何影响(原料是否价廉易得，是否可再生，能源消耗的多少，设备能否满足生产条件的要求，对环境的影响如何)；要求用化学理论回答的问题一般采用“四段论法”：本题“改变了什么条件”(或“是什么条件”)根据什么理论所以有什么变化结论【巩固演练】常见锌锰干电池因含有汞、酸或碱等，废弃后进入环境将造成严重危害。某化学兴趣小组拟采用如下处理方法回收废电池中的各种资源。(1)填充物用60温水溶解，目的是_。(2)操作A的名称为_。(3)铜帽溶解时加入H2O2溶
4、液的目的是_ (用化学方程式表示)。铜帽溶解完全后，可采用_方法除去溶液中过量的H2O2溶液。(4)碱性锌锰干电池的电解质为KOH，总反应为Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2，其负极的电极反应式为_。(5)滤渣的主要成分为含锰混合物，向含锰混合物中加入一定量的稀硫酸、稀草酸，并不断搅拌至无气泡为止。主要反应为2MnOOHMnO22H2C2O43H2SO4=3MnSO46H2O4CO2。当1 mol MnO2参加反应时，共有_mol电子发生转移。MnOOH与浓盐酸在加热条件下也可反应，写出反应的化学方程式：_。(6)锌锰干电池所含的汞可用KMnO4溶液吸收。在不同pH下，KMnO
5、4溶液对Hg的吸收率及主要产物如图所示：根据上图可知：pH对Hg吸收率的影响规律是随pH升高，汞的吸收率_。在强酸性环境下Hg的吸收率高的原因可能是KMnO4在酸性条件下_强。解析：(3)Cu不能溶于硫酸，在酸性条件下，加入H2O2的Cu就会被溶解变为Cu2，反应的化学方程式是CuH2O2H2SO4=CuSO42H2O；H2O2不稳定，受热容易分解产生氧气和水，所以铜帽溶解完全后，可采用加热方法除去溶液中过量的H2O2。(4)碱性锌锰干电池的电解质为KOH，总反应为Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2，其负极Zn发生氧化反应，电极反应式为Zn2OH2e=Zn(OH)2。答案：(1
6、)加快溶解速率，同时防止温度过高氯化铵受热分解(2)过滤(3)CuH2O2H2SO4=CuSO42H2O加热(4)Zn2OH2e=Zn(OH)2(5)42MnOOH6HCl(浓)2MnCl2Cl24H2O(6)先降低后增加氧化性【过关演练】1. (2016届永州二次模拟)镧(La)是重要的稀土元素。工业上制镧的主要流程如下：已知：镧是较活泼金属；氢氧化镧是难溶于水的弱碱。(1)操作1、3相同，其名称是_。(2)操作2要在HCl气体氛围中加热的原因是_。(3)电解制镧的尾气可用NaOH溶液吸收，反应的离子方程式为_。(4)真空、高温过程中反应的化学方程式为_。(5)钙热还原法可制得纯度更高的金属
7、镧，已知稀土精矿中镧的质量分数为w，提炼过程中利用率为b，欲用a kJ稀土精矿制得分析纯金属镧，则产品中杂质允许含量的最大值的数学表达式为_kg(化工产品等级标准：优级纯99.8%，分析纯99.7%，化学纯99.5%)。2. (2016届洛阳期末)钛及其化合物被广泛用于航天航空、舰艇、机械制造、涂料、以及光催化触媒等领域。工业上以金红石(主要成分是TiO2)为原料生产金属钛，其工艺流程如下：(1)反应中氧化剂和还原剂的质量比为_。(2)反应的化学方程式是_。(3)室温下，四氯化钛为无色液体，利用TiCl4的水解反应可以制造钛白颜料(TiO2)，水解生成TiO2xH2O，经焙烧得TiO2。在Ti
8、Cl4水解时需要加入大量的水，并同时加热的原因是_。(4)纳米TiO2具有广阔的应用前景，利用钛酸四丁酯Ti(OC4H9)4在酸性条件下，在乙醇介质中水解生成Ti(OH)4溶胶，溶胶凝化处理后得到凝胶，再经干燥和煅烧即得到超细纳米TiO2。请写出钛酸四丁酯Ti(OC4H9)4水解生成Ti(OH)4的化学方程式_，制备纳米TiO2过程中溶液混合时必须缓慢滴加的原因是_。3.某矿渣所含各物质的质量分数如表所示：成分SiO2MgOFe2O3Al2O3CuO质量分数(%)？4.03210.216已知常温下，几种氢氧化物开始沉淀和完全沉淀的pH如表所示：Cu(OH)2Mg(OH)2Fe(OH)3Al(O
9、H)3开始沉淀的pH4.89.32.73.8完全沉淀的pH6.410.83.74.7某课题组拟用上述矿渣为原料制备金属镁、铝、铜、铁，其部分工艺流程如下：请回答下列问题：(1)沉淀的主要用途是_(列一种即可)，步骤中调节pH范围为_。(2)由滤液经几步反应可得到需要制备的一种金属的氧化物，滤液中需要通入气体的化学式为_。(3)写出由滤液得到滤液的离子方程式_。(4)滤液中含有的金属阳离子是_，分离金属阳离子的操作是_。(5)工业上，冶炼铝、铁、铜、镁的方法依次是_。(填代号)A电解法、热还原法、分解法、分解法B电解法、热还原法、热还原法、电解法C热还原法、分解法、电解法、电解法D热还原法、热还
10、原法、热还原法、电解法根据上述流程图，冶炼金属时选择的相应物质是_(填代号)。AAl2O3、Fe2O3、CuO、MgO BAl2O3、Fe2O3、CuCl2、MgCl2CAlCl3、FeCl3、CuO、MgCl2 DAl2O3、Fe2O3、CuO、MgCl2(6)现有10 t上述矿渣，理论上，可以冶炼铁_t。4.用磁铁矿(主要成分Fe3O4、含Al2O3和SiO2等杂质)制取高纯铁红的工艺流程如下已知：KspFe(OH)281016；KspAl(OH)31.31033。(1)酸浸时，硫酸与四氧化三铁生成两种硫酸盐的化学方程式是_；铁粉的作用是_。(2)滴加氨水产生氢氧化铝的离子方程式为_。(3
11、)图中“滤液”中主要阳离子是_。(4)采用图示装置(加热仪器已略去)在约600650 煅烧30 min，通入的气体A是_。图中使用石英玻璃反应管，而不使用普通玻璃反应管的原因是_。5.实验室利用硫酸厂烧渣(主要成分为铁的氧化物及少量FeS、SiO2等)制备聚铁(碱式硫酸铁的聚合物)和绿矾(FeSO47H2O)，主要工艺流程如下。(1)将过程产生的气体通入下列溶液中，溶液会褪色的是_(填字母序号)。A品红溶液 B紫色石蕊试液 C酸性KMnO4溶液 D溴水(2)过程中，FeS、O2和H2SO4反应的化学方程式为_。(3)过程中需加入的物质是_。(4)过程中，蒸发结晶时需使用的仪器除酒精灯、三脚架外
12、，还需要_。(5)过程调节pH可选用下列试剂中的_(填序号)。A稀硫酸 BCaCO3 CNaOH溶液6. (2016届福州质检)稀土是我国战略性资源。氟碳铈矿主要化学成分为CeFCO3，它是提取铈族稀土元素的重要矿物原料。关于氟碳铈矿的冶炼处理工艺已经发展到十数种，其中一种提取铈的工艺流程如下：请回答下列问题(1)为增大反应速率，提高原料的利用率，焙烧前可将矿石_处理。(2)焙烧过程中产生的SO3尾气常采用喷淋法净化，再用石灰乳中和；操作I中滤渣的主要成分是_。(3)操作若在实验室中进行，需要的主要玻璃仪器有_、烧杯、玻璃棒等；所用萃取剂HT需具备的条件是_。HT不溶于水，也不和水反应Ce3不
13、和萃取剂HT发生反应Ce3在萃取剂HT中溶解度大于水萃取剂HT的密度一定大于水(4)已知有机物HT能将Ce3从水溶液中萃取出来，该过程可表示为：2Ce3 (水层) 6HT(有机层) 2CeT3(有机层) 6H(水层) 从平衡角度解释：向CeT3 (有机层)加入稀硫酸获得较纯的含Ce3的水溶液的原因是_。(5)常温下，含Ce3溶液加碱调至pH8时，c(Ce3)b molL1，已知Ce(OH)3的溶度积a，则a和b的关系是_。(6)写出Ce(OH)3悬浊液通入氧气得到产品的化学方程式：_。(7)取上述流程中得到的Ce(OH)4产品0.545 g，加硫酸溶解后，用0.100 0 molL1 FeSO
14、4标准溶液滴定至终点时(铈被还原为Ce3)，消耗25.00 mL标准溶液。该产品中Ce(OH)4的质量分数为_Ce(OH)4的相对分子质量为208，结果保留两位有效数字。7.(2016届邢台上学期期末)以黄铁矿为原料生产硫酸产生的硫酸渣中含Fe2O3、SiO2、Al2O3、MgO等，用硫酸渣制备铁红(Fe2O3)的过程如下：回答下列问题：(1)酸溶时，粉碎硫酸渣的目的是_。(2)还原过程中加入FeS2粉增大溶液中Fe2的含量，同时有H2SO4生成，写出该反应的离子方程式：_。(3)滤渣A的主要成分为_。(4)为得到纯净的Fe(OH)3固体，需要对沉淀进行洗涤，判断沉淀Fe(OH)3是否洗净的方
15、法是_ 。(5)当离子浓度1105 mol/L时可认为其沉淀完全。若要使Mg2完全沉淀则要保持c(OH)_。已知KspMg(OH)25.61012，7.5 8. 工业上用菱锰矿(MnCO3)含FeCO3、SiO2、Cu2(OH)2CO3等杂质为原料制取二氧化锰，其流程示意图如下：已知生成氢氧化物沉淀的pH：Mn(OH)2Fe(OH)2Fe(OH)3Cu(OH)2开始沉淀时8.36.32.74.7完全沉淀时9.88.33.76.7注：金属离子的起始浓度为0.1 molL1回答下列问题：(1)含杂质的菱锰矿使用前需将其粉碎，主要目的是_；盐酸溶解MnCO3的化学方程式是_。(2)向溶液1中加入双氧
16、水时，反应的离子方程式是_。(3)滤液2中加入稍过量的难溶电解质MnS，以除去Cu2，反应的离子方程式是_。(4)将MnCl2转化为MnO2的一种方法是氧化法。其具体做法是用酸化的NaClO3溶液将MnCl2氧化，该反应的离子方程式：5Mn22ClO_=_。(5)将MnCl2转化为MnO2的另一种方法是电解法。生成MnO2的电极反应式是_；若在上述MnCl2溶液中加入一定量的Mn(NO3)2粉末，则无Cl2产生。其原因是_。9. 铁盐是中学化学常见的盐。下面是以富含硫酸亚铁的工业废液为原料生产氧化铁和制备草酸亚铁晶体(FeC2O4xH2O )的工艺流程图(部分操作和条件略)。请回答下列问题：已
17、知：pH4时，Fe2易被氧气氧化；NH4HCO3在热水中会分解；几种物质的溶解度(g/l00 g H2O)如下：FeSO47H2O(NH4)2SO4FeSO4(NH4)2SO46H2O20 48753760 1018838(1)流程图步骤中，在提纯时需要加足量的铁屑的原因是_。(2)在生产氧化铁的步骤中，生成FeCO3的离子方程式是_。(3)上述流程图制备草酸亚铁过程中，用稀硫酸调溶液pH至12的目的是_，趁热过滤的原因是_。(4)已知煅烧FeCO3的化学方程式是4FeCO3O2=2Fe2O34CO2。现煅烧464.0 kg的FeCO3，得到316.8 kg产品，若产品中杂质只有FeO，则该产
18、品中Fe2O3的质量是_kg。(5)已知：某温度时，Ksp(FeC2O4)1.0106，Ksp(CaC2O4)2.0109，此温度下，FeC2O4若要在CaCl2溶液中开始转化为CaC2O4，则CaCl2的浓度必须不低于_molL1。(6)草酸(H2C2O4)是一种二元弱酸，广泛分布于动植物体中。已知0.1 molL1KHC2O4溶液呈酸性。下列说法正确的是_(填字母)。a.0.1 molL1KHC2O4溶液中：c(K)c(H)c(HC2O)2c(C2O)c(OH ) b.0.1 molL1 KHC2O4溶液中：c(K)c(HC2O)c(H2C2O4)c(C2O)c.0.1 molL1 KHC
19、2O4溶液中滴加等浓度NaOH溶液至中性：c(K)c(Na)d.浓度均为0.1 molL1KHC2O4和K2C2O4的混合溶液中：2c(K)c(HC2O)c(C2O)参考答案2.解析：(1)反应的化学方程式为TiO22Cl22C=TiCl42CO，氧化剂、还原剂分别为Cl2、C，二者的质量比为7112。(2)由流程图可知反应的化学方程式是TiCl42MgTi2MgCl2。(3)水解是吸热的，水解时加入大量水，并同时加热可以使水解速率增大。(4)钛酸四丁酯Ti(OC4H9)4水解生成Ti(OH)4和C4H9OH，其化学方程式为Ti(OC4H9)44H2O Ti(OH)44C4H9OH 。制备纳米
20、TiO2过程中溶液混合时必须缓慢滴加的原因是：防止Ti(OC4H9)4水解速率过快，生成絮凝物或沉淀。答案：(1)7112(2)TiCl42MgTi2MgCl2(3)促进水解趋于完全(4)Ti(OC4H9)44H2O Ti(OH)44C4H9OH 防止钛酸四丁酯的水解速率过快，生成絮凝物或沉淀3.解析：(1)二氧化硅不和盐酸反应，其他氧化物溶于盐酸。二氧化硅可作光导纤维、制石英坩埚。调pH使Fe3完全沉淀，而Cu2、Mg2不沉淀，根据表中数据确定pH范围。(2)滤液主要成分是偏铝酸钠，通入CO2，过滤得到氢氧化铝。(3)滤液到滤液是Al3转化成AlO的过程。(4)滤液中含有的金属阳离子是Mg2
21、、Cu2，从表中数据看，氢氧化铜的溶解度小于氢氧化镁，可以加入氧化镁或碳酸镁促进铜离子水解，使Cu2完全沉淀。(5)根据题述流程提供的物质，工业上，电解氧化铝冶炼铝，电解氯化镁冶炼镁，用还原剂分别还原氧化铁、氧化铜制备铁和铜。(6)根据矿渣成分，10 t矿渣中含有氧化铁的质量为10 t32%3.2 t，m(Fe)3.2 t2.24 t。答案：(1)作光导纤维、制石英坩埚等3.7pH4.8(2)CO2(3)Al34OH=AlO2H2O(4)Cu2、Mg2加入过量氧化镁或碳酸镁，过滤(或加入氢氧化钠溶液，调节溶液pH为6.49.3，过滤)(5)BD(6)2.245.解析：(1)SO2具有漂白性，能
22、使品红褪色，SO2有还原性，能被酸性KMnO4溶液、溴水氧化，而使它们褪色。(3)溶液X为Fe2(SO4)3，需加入还原剂将Fe3还原为Fe2，又不带入杂质离子，故需加入铁粉。(5)过程中需将酸消耗而调高pH，而CaCO3跟硫酸反应会生成微溶于水的CaSO4，阻止反应的继续进行。答案：(1)ACD(2)4FeS3O26H2SO4=2Fe2(SO4)36H2O4S(3)铁粉(4)蒸发皿、玻璃棒(5)C6.解析：(1)影响化学反应速率的因素有浓度、温度、压强、催化剂以及表面积等因素，对于固体参加的反应来说，固体表面积越大，反应速率越大，为提高原料的利用率，焙烧前可将矿石粉碎成细颗粒；(2)浸出液中
23、主要含Ce3、SO、F、H，加入CaCO3，会发生离子反应，生成CaSO4、CaF2沉淀，故操作I中滤渣的主要成分是CaF2、CaSO4；(3)在实验室中进行萃取时，需要的主要玻璃仪器有分液漏斗、烧杯等；结合萃取剂选取的条件，萃取剂HT需具备的条件是；(4)向CeT3 (有机层)加入稀硫酸，增加了H的浓度，对于2Ce3 (水层)6HT(有机层) 2CeT3(有机层)6H(水层)，平衡向逆反应方向移动，从而获得较纯的含Ce3的水溶液；(5)常温下，溶液的pH8，即c(H)108 molL1，故c(OH)106 molL1，已知Ce(OH)3的溶度积a，即c(Ce3)c3(OH)a，b(106)3
24、a，所以a1018b；(6)O2将Ce(OH)3氧化为Ce(OH)4，反应的化学方程式为4Ce(OH)3O22H2O=4Ce(OH)4 ；(7)n(Fe2)0.100 0 molL10.025 L0.002 5 mol，根据电子守恒，n(Ce(OH)4)n(Ce4)0.002 5 mol，mCe(OH)40.002 5 mol208 gmol10.52 g，产品中Ce(OH)4的质量分数为0.52 g/0.545 g100%95%。答案： (1)粉碎成细颗粒(2)CaF2、CaSO4(3)分液漏斗(4)混合液中加入H2SO4使c(H)增大，平衡向形成Ce3水溶液方向移动(5)a1018b(6)
25、4Ce(OH)3O22H2O=4Ce(OH)4(7)95%7. 解析：(1) 在工业生产中，增大接触面积，加快溶解或反应速率，常将固体粉碎。(2)酸溶后的溶液中含有Fe3、Al3和Mg2，加入FeS2粉增大溶液中Fe2的含量，同时有H2SO4，说明溶液中的Fe3将FeS2中的硫元素氧化为H2SO4，Fe3被还原为Fe2，从而不难写出反应的离子方程式。(3)酸溶时，硫酸渣中只有SiO2不溶于硫酸，因此滤渣A的主要成分为SiO2。(4)Fe(OH)3沉淀表面附有SO，判断沉淀Fe(OH)3是否洗净就是检验最后一次洗涤液中是否含有SO，若不含SO，则沉淀已洗净。(5)当c(Mg2)1105 mol/
26、L时，Mg2完全沉淀，则c(OH)7.5104mol/L。答案：(1)增大接触面积，加快溶解速率(2)FeS214Fe38H2O=15Fe22SO16H(3)SiO2(4)取少量最后一次洗涤液于洁净的试管中，滴加少量BaCl2溶液，若无明显现象，则沉淀已洗净(5)7.5104 mol/L 9.解析：（1）富含FeSO4的工业废液为原料生产Fe2O3和制备草酸亚铁晶体(FeC2O4xH2O )，首先从废液中提纯并结晶出FeSO47H2O，将FeSO47H2O配制成溶液，FeSO4溶液与稍过量的NH4HCO3溶液混合，得到含FeCO3的浊液，将浊液过滤，用90 热水洗涤沉淀，干燥后得到FeCO3固
27、体，煅烧FeCO3，得到Fe2O3固体；FeSO47H2O中加入硫酸铵，根据溶解度随温度的变化关系，蒸发浓缩得到硫酸亚铁与硫酸铵的结晶水合物，加入稀硫酸和草酸可制备FeC2O4xH2O。(2)Fe2与HCO电离出的CO结合生成FeCO3，促使HCO的电离，H再和HCO反应生成水和CO2，即Fe22HCO=FeCO3H2OCO2。(3)FeSO47H2O配制成溶液的过程中，亚铁离子易水解，Fe22H2OFe(OH)22H，加入硫酸配制可以使得化学平衡逆向移动，抑制水解；pH4时，Fe2易被氧气氧化，故用稀硫酸调溶液pH至12的目的也是为了防止二价铁离子被氧化；趁热过滤是为了增大杂质的溶解度(防止
28、低温时杂质析出)，影响产品的纯度。(4)假设Fe2O3物质的量为x mol，FeO的物质的量为y mol，那么满足：160x72y316 800；(2xy)116464 000，解得x1 800 mol，所以产物中Fe2O3的质量160 gmol11 800 mol288 000 g288.0 kg。(5)在饱和FeC2O4溶液中c(C2O)103 molL1，Ksp(CaC2O4)c(Ca2)c(C2O)2.0109，则c(Ca2) molL12.0106 molL1，所以CaCl2的浓度必须不低于2.0106 molL1。(6)0.1 molL1KHC2O4溶液中，根据电荷守恒可知：c(K
29、)c(H)c(HC2O)2c(C2O)c(OH)，故a正确；0.1 molL1 KHC2O4溶液中，溶液呈酸性，说明HC2O电离程度大于其水解程度，则c(C2O)c(H2C2O4)，则离子浓度大小：c(K)c(HC2O)c(C2O)c(H2C2O4)，故b错误；0.1 molL1 KHC2O4溶液中滴加等浓度NaOH溶液至中性，当钾离子与钠离子浓度相等时，反应生成草酸钠和草酸钾，溶液呈碱性，若为中性，则氢氧化钠应该少量，故c(K)c(Na)，故c正确；浓度均为0.1 molL1 KHC2O4和K2C2O4的混合溶液中，根据物料守恒可得：2c(K)3c(HC2O)3c(C2O)3c(H2C2O4)，故d错误。答案：(1)除去废液中的Fe3(或Fe2Fe3=3Fe2)(2)Fe22HCO=FeCO3CO2H2O(3)防止亚铁离子水解，防止亚铁离子被氧化增大杂质的溶解度(防止低温时杂质析出)，影响产品的纯度(4)288.0(5)2.0106(6)ac13
