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專項突破一　化學反應與化工流程題復習策略 1.某實驗室產生的廢液中含有Fe3+、Cu2+、Ba2+三種金屬離子,研究小組設計了下列實驗方案對廢液進行處理,以回收金屬,保護環(huán)境。 請回答: (1)步驟①②④用到的主要玻璃儀器是　　　　　　　　。 (2)步驟③的實驗現象是　　　　　　　　　　。 (3)設計一個實驗方案,驗證步驟①中所加硫酸溶液已經過量:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 答案　(1)玻璃棒、漏斗、燒杯　(2)溶液由淺綠色變?yōu)辄S色　(3)取上層清液,繼續(xù)加硫酸溶液,若無白色沉淀生成,則說明硫酸溶液已經過量(答案合理即可) 解析　(1)根據流程圖可知,步驟①②④為過濾,用到的玻璃儀器為漏斗、燒杯、玻璃棒;(2)步驟③利用H2O2的氧化性,把Fe2+氧化成Fe3+,發(fā)生反應的離子方程式為2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O,實驗現象為溶液顏色由淺綠色變?yōu)辄S色;(3)步驟①發(fā)生反應:Ba2++SO42-BaSO4↓,溶液中含有H+,因此不能檢驗H+的存在,因此需要檢驗SO42-或Ba2+,操作是取上層清液,繼續(xù)加入硫酸溶液,若無白色沉淀生成,則說明硫酸溶液已經過量或者取上層清液,加入BaCl2溶液,如果有白色沉淀生成,則說明硫酸溶液已經過量。 2.重鉻酸鉀是一種重要的化工原料,工業(yè)上由鉻鐵礦(主要成分為FeOCr2O3、SiO2等)制備,制備流程如圖所示: 已知:a.步驟①的主要反應為2FeOCr2O3+4Na2CO3+7NaNO3 4Na2CrO4+Fe2O3+4CO2+7NaNO2 b.2CrO42-+2H+ Cr2O72-+H2O 下列說法正確的是(　　) A.步驟①熔融、氧化可以在陶瓷容器中進行 B.步驟①中每生成44.8 L(標準狀況下)CO2共轉移14 mol電子 C.步驟④若調節(jié)濾液2的pH使之變大,則有利于生成Cr2O72- D.步驟⑤生成K2Cr2O7晶體,說明該溫度下K2Cr2O7的溶解度小于Na2Cr2O7 答案　D　陶瓷容器中含有二氧化硅,SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑,陶瓷容器會被腐蝕,故A錯誤;步驟①中2CO2~7e-,每生成44.8 L(標準狀況下)即2 mol CO2共轉移7 mol電子,故B錯誤;步驟④若調節(jié)濾液2的pH使之變大,2CrO42-+2H+ Cr2O72-+H2O反應的平衡左移,則不有利于生成Cr2O72-,故C錯誤;溶液趨向于析出溶解度較小的晶體,步驟⑤生成K2Cr2O7晶體,說明該溫度下K2Cr2O7的溶解度小于Na2Cr2O7,故D正確。 3.一種含鋁、鋰、鈷的新型電子材料,生產中產生的廢料數量可觀,廢料中的鋁以金屬鋁箔的形式存在,鈷以Co2O3CoO的形式存在,吸附在鋁箔的單面或雙面,鋰混雜于其中。從廢料中回收氧化鈷(CoO)的工藝流程如下: (1)過程Ⅰ中采用NaOH溶液溶出廢料中的Al,反應的離子方程式為　。 (2)過程Ⅱ中加入稀硫酸酸化后,再加入Na2S2O3溶液浸出鈷。則浸出鈷的反應的化學方程式為(產物中只有一種酸根)　 。 在實驗室模擬工業(yè)生產時,也可用鹽酸浸出鈷,但實際工業(yè)生產中不用鹽酸,請從氧化還原反應和環(huán)境保護的角度分析不用鹽酸浸出鈷的主要原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)過程Ⅲ得到鋰鋁渣的主要成分是LiF和Al(OH)3,碳酸鈉溶液在產生Al(OH)3時起重要作用,請寫出該反應的離子方程式:　 。 (4)碳酸鈉溶液在過程Ⅲ和Ⅳ中所起作用有所不同,請寫出在過程Ⅳ中起的作用是　 。 答案　(1)2Al+2OH-+2H2O 2AlO2-+3H2↑ (2)4Co2O3CoO+Na2S2O3+11H2SO4 12CoSO4+Na2SO4+11H2O 　Co2O3CoO可氧化鹽酸產生Cl2,污染環(huán)境 (3)2Al3++3CO32-+3H2O 2Al(OH)3↓+3CO2↑ (4)調節(jié)pH,提供CO32-,使Co2+沉淀為CoCO3 解析　(1)鋁和氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉和氫氣,反應的離子方程式為2Al+2OH-+2H2O 2AlO2-+3H2↑。(2)Co3O4和Na2S2O3在酸性條件下發(fā)生氧化還原反應生成CoSO4、Na2SO4和H2O,反應的化學方程式為4Co3O4+Na2S2O3+11H2SO4 12CoSO4+Na2SO4+11H2O,所以加入Na2S2O3的作用是還原Co3+,HCl具有還原性,能被Co2O3CoO氧化生成有毒的氯氣而污染環(huán)境,所以不用鹽酸。(3)鋁離子能與碳酸根離子互相促進水解生成氫氧化鋁和二氧化碳,水解的離子方程式為2Al3++3CO32-+3H2O 2Al(OH)3↓+3CO2↑。(4)碳酸鈉溶液在過程Ⅲ中起的作用是:碳酸根離子能與鋁離子互相促進水解生成氫氧化鋁和二氧化碳;碳酸鈉溶液在過程Ⅳ中起的作用是調節(jié)pH,提供CO32-,使Co2+沉淀為CoCO3。 4.氨基磺酸鎳[Ni(H2NSO3)2]是工業(yè)電鍍鎳所必需的化工原料,某科研小組先用尿素、SO3合成中間體氨基磺酸(H2NSO3H),再用氨基磺酸、金屬鎳和雙氧水反應來合成氨基磺酸鎳。已知磺化制氨基磺酸反應原理和整個過程的流程圖如下: ①CO(NH2)2(s)+SO3(g) H2NCONHSO3H(s)　ΔH<0 ②H2NCONHSO3H(s)+H2SO4 2H2NSO3H(s)+CO2↑ 圖1 已知物質的部分性質如下: 物質 溶解性 穩(wěn)定性 酸堿性 氨基磺酸 溶于水、不溶于乙醇 pH較低時發(fā)生水解生成NH4HSO4 強酸性 氨基磺酸鎳 溶于水、乙醇 高于110 ℃時分解 酸性 請回答: (1)操作A的名稱是　　　,液體1的主要成分是　　　　(填化學式)。 (2)“磺化”過程的溫度與產率的關系如圖2。溫度高于80 ℃時氨基磺酸產率會降低,原因一是升高溫度平衡逆向移動,原因二是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 圖2 (3)寫出制備氨基磺酸鎳的化學方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)寫出固體2洗滌的操作過程: 　。 (5)流程圖中“天藍色溶液”需要調節(jié)pH=5~6的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 答案　(1)過濾或抽濾　H2SO4 (2)溫度過高,SO3氣體逸出加快,使反應①轉化率降低 (3)Ni+H2O2+2H2NSO3H Ni(H2NSO3)2+2H2O (4)關小水龍頭,向布氏漏斗中加入乙醇的水溶液至浸沒沉淀,讓其慢慢流下,重復2~3次 (5)pH較小時氨基磺酸易發(fā)生水解,使產物中含有NiSO4、(NH4)2SO4等雜質,造成產物純度降低 解析　本題考查實驗化學相關知識。(1)操作A為過濾或抽濾,液體1的主要成分是硫酸;(2)溫度高于80 ℃時氨基磺酸的產率會降低,其原因除了升高溫度促使平衡向逆反應方向移動外,還有一個原因是當反應體系溫度過高時,會加快SO3氣體的逸出,使反應①的轉化率降低;(3)鎳單質在H2O2的氧化作用下與H2NSO3H反應生成Ni(H2NSO3)2 ,其化學方程式為Ni+H2O2+2H2NSO3H Ni(H2NSO3)2+2H2O;(4)在抽濾裝置中對沉淀進行洗滌的方法為:先關小水龍頭,然后向布氏漏斗中加入乙醇的水溶液至浸沒沉淀,讓其慢慢流下,并重復2~3次;(5)pH較小時氨基磺酸發(fā)生水解生成NH4HSO4,造成產物中含有NiSO4、(NH4)2SO4等雜質,使產物純度降低。 5.工業(yè)上用含三價釩(V2O3)為主的某石煤為原料(含有Al2O3、CaO等雜質),鈣化法焙燒制備V2O5,其流程如下: 石煤 焙砂 浸出液 NH4VO3 V2O5 【資料】　+5價釩在溶液中的主要存在形式與溶液pH的關系: pH 4~6 6~8 8~10 10~12 主要離子 VO2+ VO3- V2O74- VO43- (1)焙燒:向石煤中加生石灰焙燒,將V2O3轉化為Ca(VO3)2的化學方程式是　　　　　　　。 (2)酸浸: ①Ca(VO3)2難溶于水,可溶于鹽酸。若焙砂酸浸時溶液的pH=4,Ca(VO3)2溶于鹽酸的離子方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②酸度對釩和鋁的溶解量的影響如下圖所示:酸浸時溶液的酸度控制在大約3.2%,根據下圖推測,酸浸時不選擇更高酸度的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)轉沉:將浸出液中的釩轉化為NH4VO3固體,其流程如下: 浸出液 ①浸出液中加入石灰乳的作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②已知CaCO3的溶解度小于Ca3(VO4)2。向Ca3(VO4)2沉淀中加入(NH4)2CO3溶液,可使釩從沉淀中溶出。結合化學用語,用平衡移動原理解釋其原因: 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ③向(NH4)3VO4溶液中加入NH4Cl溶液,控制溶液的pH=7.5。當pH>8時,NH4VO3的產量明顯降低,原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)測定產品中V2O5的純度: 稱取a g產品,先用硫酸溶解,得到(VO2)2SO4溶液。再加入b1 mL c1 molL-1(NH4)2Fe(SO4)2溶液(VO2++2H++Fe2+ VO2++Fe3++H2O)。最后用c2 molL-1KMnO4溶液滴定過量的(NH4)2Fe(SO4)2至終點,消耗KMnO4溶液的體積為b2 mL。已知MnO4-被還原為Mn2+,假設雜質不參與反應。則產品中V2O5的質量分數是　　　　　　　　(V2O5的摩爾質量:182 gmol-1)。 答案　(1)CaO+O2+V2O3 Ca(VO3)2 (2)①Ca(VO3)2+4H+ 2VO2++Ca2++2H2O ②酸度大于3.2%時,釩的溶解量增大不明量,而鋁的溶解量增大程度更大 (3)①調節(jié)溶液的pH,并提供Ca2+,形成Ca3(VO4)2沉淀(富集釩元素) ②Ca3(VO4)2的濁液中存在平衡Ca3(VO4)2(s) 3Ca2+(aq)+2VO43-(aq),(NH4)2CO3溶液中的CO32-與Ca2+結合生成更難溶的CaCO3沉淀,c(Ca2+)降低,平衡正向移動,使釩從沉淀中溶出 ③pH>8時,釩的主要存在形式不是VO3- (4)91(c1b1-5c2b2)(1 000a) 解析　(1)根據反應流程:向石煤中加生石灰焙燒,V2O3與氧化鈣和氧氣反應生成Ca(VO3)2,化學方程式是CaO+O2+V2O3 Ca(VO3)2。(2)①根據信息可知:pH在4~6之間,生成VO2+,所以Ca(VO3)2與鹽酸反應離子方程式是Ca(VO3)2+4H+ 2VO2++Ca2++2H2O。②根據圖像變化可知:酸度大于3.2%時,釩的溶解量增大不明顯,而鋁的溶解量增大程度更大,因此酸浸時不選擇更高酸度。(3)①浸出液中含有VO43-,加入石灰乳后生成Ca3(VO4)2沉淀,便于釩元素的富集。②Ca3(VO4)2的濁液中存在平衡Ca3(VO4)2(s) 3Ca2+(aq)+2VO43-(aq),(NH4)2CO3溶液中的CO32-與Ca2+結合生成更難溶的CaCO3沉淀,c(Ca2+)降低,平衡正向移動,使釩從沉淀中溶出;因此向Ca3(VO4)2沉淀中加入(NH4)2CO3溶液,可使釩從沉淀中溶出。③根據信息可知:pH>8時,釩的主要存在形式為V2O74-或VO43-等,不是VO3-,NH4VO3的產量明顯降低。(4)高錳酸鉀氧化亞鐵離子變?yōu)殍F離子,根據反應規(guī)律:MnO4-~5Fe2+,消耗KMnO4的量b210-3c2 mol,則消耗亞鐵離子的量為5b210-3c2 mol,再根據VO2+~Fe2+關系可知,用來還原VO2+的亞鐵離子的量為b1c110-3-5b210-3c2 mol,因此VO2+的量為b1c110-3-5b210-3c2 mol,產品中V2O5的量為12(b1c110-3-5b210-3c2) mol,產品中V2O5的質量為12(b1c110-3-5b210-3c2)182=91(c1b1-5c2b2)10-3g,則產品中V2O5的質量分數是91(c1b1-5c2b2)1 000a。 6.錳酸鉀(K2MnO4)是一種強氧化劑,可用于油脂、纖維、皮革的漂白。在酸性溶液中不穩(wěn)定,容易發(fā)生歧化反應而變成MnO2和KMnO4。錳酸鉀的合成路線與反應裝置如下(部分裝置已省略)。 實驗步驟: 步驟一:向500 mL 圓底燒瓶中加入一定量的水、75 g氫氧化鉀和10 g高錳酸鉀; 步驟二:水浴加熱至65 ℃并冷凝回流一段時間; 步驟三:冷卻結晶、減壓過濾,得到粗產品; 步驟四:依次用40% KOH水溶液、0.015% KOH甲醇溶液、無水乙醚對產品進行洗滌; 步驟五:干燥。 已知:實驗所用水及溶液均需煮沸。 請回答: (1)冷凝水應該從　　　　　口進(填“A”或“B”),水浴加熱的優(yōu)點是　　　　　　　　　　　　　　。 (2)實驗所用水及溶液均需煮沸的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)用40% KOH水溶液洗滌時,主要是為了除去　　　　　(填化學式)。 (4)請你寫出制備錳酸鉀的化學方程式(產物中含Mn的化合物只有一種):　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (5)下列說法正確的是　　　　　。 A.過濾時,濾紙大小應略小于布氏漏斗內徑又能將小孔全部蓋住 B.洗滌時,右手壓住分液漏斗的玻璃塞,左手握住旋塞,將分液漏斗倒轉過來,用力振蕩 C.干燥產品時,可以在真空干燥箱內進行 D.冷卻結晶時,若出現過飽和現象,可振蕩燒瓶 答案　(1)B　受熱均勻,便于控溫 (2)除去溶解的二氧化碳,防止錳酸鉀發(fā)生歧化反應 (3)KMnO4 (4)4KMnO4+4KOH4K2MnO4+2H2O+O2↑ (5)CD 解析　(2)題目中提到錳酸鉀在酸性條件下容易發(fā)生歧化反應,結合實驗裝置中干燥管中的堿石灰,說明煮沸要除去的不是氧氣。 (3)分析題干信息,雜質有未反應完的氫氧化鉀和高錳酸鉀,流程中用40%KOH水溶液洗滌是為了除去高錳酸鉀。 (4)失電子的只能是氧元素,因此有O2生成。 (5)由于錳酸鉀有強氧化性,故過濾時不能用濾紙,因此A錯誤。注意題目中洗滌的物質是固體,因此B錯誤。 7.鈷(Co)及其化合物在工業(yè)中應用廣泛,從某工業(yè)廢料中制備草酸鈷(CoC2O4)的工業(yè)流程如下: 已知:①廢料中主要含有Co2O3,還含少量Fe2O3、Al2O3、MnO、CaO、SiO2等; ②浸出液含有的陽離子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、Al3+等; ③H2O2不能氧化Co2+; ④部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時溶液的pH見下表: 沉淀物 Fe(OH)3 Co(OH)3 Al(OH)3 Co(OH)2 Fe(OH)2 Mn(OH)2 沉淀完全的pH 3.7 4.6 5.2 9.2 9.6 9.8 回答下列問題: (1)在浸出過程中先加入鹽酸與Co2O3反應生成黃綠色氣體,此反應的離子方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　　。浸出過程中加完鹽酸后再加入還原性試劑A的目的是　　　　　　　　　　。 (2)用萃取劑萃取的步驟中,以下關于萃取分液操作的敘述正確的是　　　　。 A.為提高萃取率和產品產量,實驗時分多次萃取并合并萃取后余液 B.溶液中加入萃取劑,轉移至分液漏斗中,塞上玻璃塞,如上圖所示用力振搖 C.振搖幾次后需打開分液漏斗上口的玻璃塞放氣 D.經幾次振搖并放氣后,手持分液漏斗靜置待液體分層 E.分液時,將分液漏斗上的玻璃塞打開或使塞上的凹槽對準漏斗口上的小孔,打開旋塞,待下層液體完全流盡時,關閉旋塞后再從上口倒出上層液體 (3)萃取劑對金屬離子的萃取率(%)與溶液pH的關系如下圖所示,在濾液Ⅱ中適宜萃取的pH為　　　　(填序號)。 A.接近2.0　　　B.接近3.0　　　C.接近5.0 (4)萃取后余液中加入(NH4)2C2O4沉淀Co2+得到草酸鈷,判斷Co2+沉淀完全的操作是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (5)為測定制得的無水草酸鈷樣品的純度,現稱取樣品m g,先用適當試劑將其轉化,得到純凈的草酸銨溶液,再用過量的稀硫酸酸化,用c mol/L 高錳酸鉀溶液去滴定,共用去高錳酸鉀溶液V mL,則草酸鈷樣品的純度為　　　　(用含m、c、V的式子表示)。 答案　(1)Co2O3+6H++2Cl-2Co2++Cl2↑+3H2O　確保Co3+完全被還原成Co2+ (2)AE (3)B (4)靜置,等沉淀下沉后,向上層清液中繼續(xù)滴加(NH4)2C2O4溶液,若無沉淀出現,可判斷Co2+沉淀完全 (5)36.75cVm% 解析　本題考查物質的制備、物質的分離與提純、滴定及相關計算。含鈷廢料中加入鹽酸和試劑A,可得含HCl、CoCl2、AlCl3、FeCl2、MgCl2、CaCl2、MnCl2的浸出液,再加入H2O2,可將Fe2+氧化為Fe3+,然后加入Na2CO3調pH至5.2,Fe3+、Al3+變?yōu)镕e(OH)3、Al(OH)3沉淀而除去,過濾后所得濾液Ⅰ中主要含有CoCl2、MgCl2、CaCl2和MnCl2,向濾液Ⅰ中加入NaF溶液,生成CaF2、MgF2沉淀而除去Ca2+和Mg2+,過濾得到的濾液Ⅱ中主要含有CoCl2和MnCl2,濾液Ⅱ中加入萃取劑除去Mn2+,萃取后余液中加入(NH4)2C2O4,充分反應后過濾得到CoC2O4。(1)鹽酸與Co2O3反應生成的黃綠色氣體為Cl2,氯元素化合價升高,則化合價降低的只能是鈷元素,據此可寫出反應的離子方程式為Co2O3+6H++2Cl-2Co2++Cl2↑+3H2O。依題給信息知浸出液中鈷元素以Co2+形式存在,為使后續(xù)離子被順利除去,加入還原性試劑A的目的是確保Co3+完全被還原成Co2+。(2)萃取分液操作中,為提高萃取率和產品產量,實驗時可分多次萃取并合并萃取后余液,A正確;振搖時,先用右手手掌抵住玻璃塞,握住漏斗口部,左手握住旋塞部位,拇指壓住旋塞,水平進行振搖,B錯誤;振搖幾次后,將分液漏斗斜向上旋開旋塞放氣,C錯誤;經幾次振搖并放氣后,將分液漏斗置于鐵架臺的鐵圈上,靜置待液體分層,D錯誤;分液時,將分液漏斗上的玻璃塞打開或使塞上的凹槽對準漏斗口上的小孔,打開旋塞,待下層液體完全流盡時,關閉旋塞后再從上口倒出上層液體,E正確。(3)由萃取劑對金屬離子的萃取率與溶液pH的關系可知,調節(jié)溶液pH接近3.0,可使Mn2+萃取得較完全而Co2+損失較少。(5)根據方程式: 5H2C2O4+2MnO4-+6H+2Mn2++10CO2↑+8H2O,依據碳原子守恒可得關系式:5CoC2O4~5(NH4)2C2O4~5H2C2O4~2MnO4-,n(CoC2O4)=52n(MnO4-)=52cV10-3mol,故草酸鈷樣品的純度為52cV10-3mol147 g/molmg100%=36.75cVm%。 8.高鐵酸鈉(Na2FeO4)具有很強的氧化性,是一種新型的綠色凈水消毒劑。工業(yè)上可以通過次氯酸鈉氧化法制備高鐵酸鈉,生產過程如下: (1)高鐵酸鈉中鐵元素的化合價為　　　　,次氯酸鈉的電子式是　　　　　　　　。 (2)步驟①反應的離子方程式是　　　　　　　　　　　　　　　。 (3)從溶液Ⅰ中分離出Na2FeO4后,還有副產品Na2SO4、NaCl,則步驟③中反應的離子方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)工業(yè)上還可用電解濃氫氧化鈉溶液的方法制Na2FeO4,其原理如圖所示: 陽極的電極反應式為　　　　　　　　　　　　　　　,可循環(huán)使用的物質是　　　　　　　。 (5)Cl2的消毒效率(以單位質量得到的電子數表示)是Na2FeO4的消毒效率的　　　倍(計算結果保留兩位小數)。 答案　(1)+6　Na+[OCl]- (2)2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O (3)2Fe3++3ClO-+10OH-2FeO42-+3Cl-+5H2O (4)Fe-6e-+8OH-FeO42-+4H2O　NaOH溶液 (5)1.56 解析　(1)化合物中各元素化合價代數和為0,故高鐵酸鈉中鐵元素的化合價為+6,次氯酸鈉為離子化合物,其電子式為Na+[OCl]-。(2)由框圖可知,步驟①是FeSO4與H2O2反應得到Fe2(SO4)3,反應的離子方程式為2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O。(3)根據題意并結合框圖可知,Fe2(SO4)3、NaOH、NaClO反應生成Na2FeO4、Na2SO4、NaCl,反應的離子方程式為2Fe3++3ClO-+10OH-2FeO42-+3Cl-+5H2O。(4)由題圖可知,Fe作陽極,失去電子生成FeO42-,陽極反應式為Fe-6e-+8OH-FeO42-+4H2O,陰極上H+放電生成H2,陰極反應式為2H2O+2e-H2↑+2OH-,得到的A溶液為NaOH溶液,故能循環(huán)使用的物質為NaOH溶液。(5)已知:Na2FeO4Fe3+,Cl22Cl-,則每消耗1 g Na2FeO4得到3166 mol電子,每消耗1 g氯氣得到271 mol電子,故Cl2的消毒效率約是Na2FeO4的消毒效率的1.56倍。