2019年高考化学一轮总复习 考点扫描 专题10 化学工艺流程题与金属冶炼学案.doc

专题10 化学工艺流程题与金属冶炼【考情分析】化学工艺流程题是高考的必考题型，题目综合性强，难度大，通常以化工生产中流程图的形式，以陌生元素或陌生化合物知识为载体，综合考查元素化合物知识、氧化还原反应方程式的书写、实验基本操作、实验步骤的分析、实验方案的评价、产率的计算、Ksp的应用、绿色化学思想的体现等，可以说是真正的学科内综合题，无所不考。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。【考点过关】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【过关演练】钴(Co)及其化合物在工业上有广泛应用。为从某工业废料中回收钴，某学生设计流程如下(废料中含有Al、Li、Co2O3和Fe2O3等物质)：已知：物质的溶解性：LiF难溶于水，Li2CO3微溶于水。部分金属离子形成氢氧化物沉淀的pH见下表：Fe3Co2Co3Al3pH(开始沉淀)1.97.150.233.4pH(完全沉淀)3.29.151.094.7(1)步骤中得到含铝溶液的反应的离子方程式为_。(2)步骤中Co2O3与盐酸反应生成气体，此反应的离子方程式为_，在实验室检验步骤中生成的气体最常用的方法是_。(3)步骤中Na2CO3溶液的作用是调节溶液的pH，应调节溶液的pH范围为_；废渣中的主要成分是_、_(填化学式)。(4)NaF与溶液中的Li形成LiF沉淀，此反应对步骤所起的作用是_。答案：(1)2Al2OH2H2O=2AlO3H2(2)Co2O36H2Cl=2Co2Cl23H2O 用湿润的淀粉KI试纸检验，试纸变蓝(其他合理答案也可以)(3)3.2pH7.15LiFFe(OH)3(4)降低溶液中Li的浓度，避免步骤中产生Li2CO3沉淀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。【过关演练】硼镁泥是一种工业废料，主要成分是MgO(占40%)，还有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质，以此为原料制取的硫酸镁，可用于印染、造纸、医药等工业。从硼镁泥中提取MgSO47H2O的流程如图所示。已知，某些氢氧化物沉淀的pH如表所示。氢氧化物开始沉淀时的pH完全沉淀时的pHMg(OH)29.310.8Fe(OH)27.69.6Fe(OH)32.73.7Al(OH)33.74.7请回答下列问题：(1)在“酸解”过程中，欲加快“酸解”时的化学反应速率，请提出两种可行的措施：_。(2)加入的NaClO可与Mn2反应：Mn2ClOH2O=MnO22HCl，还有一种离子也会被NaClO氧化，并发生水解，该反应的离子方程式为_。(3)“滤渣”的主要成分除Fe(OH)3、Al(OH)3、MnO2外，还有_。(4)已知不同温度下MgSO4、CaSO4的溶解度如表所示。温度/40506070MgSO4的溶解度/g30.933.435.636.9CaSO4的溶解度/g0.2100.2070.2010.193“除钙”是将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去，根据表中数据，简要说明操作步骤：蒸发浓缩、_。“操作”是将滤液继续蒸发浓缩、冷却结晶、_，便可得到MgSO47H2O。(5)实验中提供的硼镁泥共100 g，得到的MgSO47H2O为172.2 g，计算MgSO47H2O的产率：_。(6)金属镁可用于自然水体中铁件的电化学防腐，完成防腐示意图，并作相应标注。答案：(1)适当升高温度、把硼镁泥粉碎(或搅拌、适当增大硫酸浓度)(2)2Fe2ClO5H2O=2Fe(OH)3Cl4H(3)SiO2(4)趁热过滤过滤洗涤(或过滤)(5)70%(6)或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 【过关演练】以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为：物质V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3质量分数/%2.22.92.83.122286065121以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：回答下列问题：(1)“酸浸”时V2O5转化为VO，反应的离子方程式为_，同时V2O4转化成VO2。“废渣1”的主要成分是_。(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2变为VO，则需要氧化剂KClO3至少为_ mol。(3)“中和”作用之一是使钒以V4O形式存在于溶液中。“废渣2”中含有_。(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：4ROHV4OR4V4O124OH(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈_性(填“酸”“碱”或“中”)。(5)“流出液”中阳离子最多的是_。(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：_。转化为V2O5，V的化合价未发生变化，该反应为非氧化还原反应，所以N的化合价仍为3，一种生成物是NH3，另一种生成物必定是H2O。答案：(1)V2O52H=2VOH2OSiO2(2)0.5(3)Fe(OH)3和Al(OH)3(4)碱(5)K(6)2NH4VO3V2O52NH3H2O 【过关练习】1. (永州2016届二次模拟)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%)。答案(1)过滤(2)抑制LaCl3水解(3)Cl22OH=ClClOH2O(4)3Ca2LaF33CaF22La(5)2. (洛阳2016届期末)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TiCl4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_。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.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(OH)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。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)2.244.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)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_。答案：(1)Fe3O44H2SO4Fe2(SO4)3FeSO44H2O将Fe3还原为Fe2(或作还原剂)(2)Al33NH3H2O=Al(OH)33NH(3)NH(4)氧气(或空气)普通玻璃高温下容易软化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，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5.解析：(1)SO2具有漂白性，能使品红褪色，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. (福州2016届质检)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 FeSO4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。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)3a，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)4Ce(OH)3O22H2O=4Ce(OH)4(7)95% 7.(邢台2016届上学期期末)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 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 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_。 (2)加入过氧化氢将溶液中Fe2氧化为Fe3，在pH4时氧化得到的Fe3转化为Fe(OH)3沉淀，根据电荷守恒有氢离子生成，反应的离子方程式：2Fe2H2O24H2O=2Fe(OH)34H。(4)用酸化的NaClO3溶液将MnCl2氧化得到MnO2，Mn元素发生氧化反应，则Cl元素发生还原反应生成Cl2，由于在酸性条件下反应，根据电荷守恒可知，生成物中有H生成，根据H元素守恒，可知反应物中缺项物质为H2O，配平后离子方程式：5Mn22ClO4H2O=Cl25MnO28H。(5)由题意可知，Mn2转化为MnO2，发生氧化反应，由氧元素守恒可知有水参加反应，由电荷守恒可知应有H生成，电极反应式：Mn22e2H2O=MnO24H；Mn2、Cl都在阳极放电，二者为竞争关系，增大Mn2浓度或增大c(Mn2)/c(Cl)，有利于Mn2放电(不利于Cl放电)。答案：(1)增大接触面积，提高反应速率MnCO32HCl=MnCl2CO2H2O(2)2Fe2H2O24H2O=2Fe(OH)34H(3)MnSCu2=Mn2CuS(4)4H2OCl25MnO28H(5)Mn22e2H2O=MnO24H其他条件不变，增大Mn2浓度或增大c(Mn2)/c(Cl，有利于Mn2放电(不利于Cl放电)9.(江西师大附中2017届月考一)氯化亚铜(CuCl)常用作有机合成工业中的催化剂，是一种白色粉末；微溶于水、不溶于乙醇及稀硫酸；在空气中迅速被氧化成绿色；见光则分解，变成褐色。如图是工业上以制作印刷电路的废液(含Fe3、Cu2、Fe2、Cl)生产CuCl的流程：根据以上信息回答下列问题：(1)写出生产过程中所加试剂：X_，Y_。(填试剂名称)(2)生产中为了提高CuCl产品的质量，采用抽滤法快速过滤，析出的CuCl晶体不用水而用无水乙醇洗涤的目的是_；生产过程中调节溶液的pH不能过大的原因是_。(3)写出产生CuCl的化学方程式：_。(4)在CuCl的生成过程中除环境问题、安全问题外，还应该注意的关键问题是_。答案：(1)铁粉稀盐酸(2)减少产品CuCl的损失防止CuCl水解(3)CuCl2CuSO4SO22H2O=2CuCl2H2SO4(4)生产中应防止CuCl的氧化和见光分解10.(安徽师大附中2017届月考)用铝土矿(含30%SiO2、40.8%Al2O3和少量Fe2O3等)制取铝硅合金材料有湿法、干法等方法，其中干法制备的工艺流程如下：(1)若湿法处理铝土矿，用强酸浸取时，所得溶液中阳离子有_。(2)焙烧除铁的反应为4(NH4)2SO4Fe2O32NH4Fe(SO4)23H2O6NH3(Al2O3部分发生类似反应)。氧化物转化为硫酸盐的转化率与温度的关系如图，最适宜的焙烧温度为_。(3)操作包括加水溶解、_。(4)用焦炭还原SiO2、Al2O3会产生中间体SiC、Al4C3。写出高温下Al4C3与Al2O3，反应生成铝单质的化学方程式：_。(5)铝硅合金材料中若含铁，会影响其抗腐蚀性，原因是_。(6)不计损失，投入1 t铝土矿，当加入54 kg纯铝后，铝硅合金中mn_。答案：(1)Al3、Fe3、H(2)300 (3)过滤(4)Al4C3Al2O36Al3CO(5)铁与铝形成原电池，加快了铝的腐蚀(6)2111.电镀工业会产生大量的电镀污水,处理电镀污水时会产生大量的电镀污泥。电镀污泥含有多种金属氢氧化物和杂质。下面是处理某种电镀污泥回收铜、镍元素的一种工业流程。电镀污泥用硫酸浸出后得到的浸出液中各金属离子浓度见下表。金属离子Cu2+Ni2+Fe2+Al3+Cr3+浓度/mgL-17 0007 0002 5004 2003 500(1) 硫酸浸出过程中,为提高浸出速率,可以采取的措施有(写出两条)。(2) 在电解回收铜的过程中,为提高下一步的除杂效果,需控制电解电压稍大一些使Fe2+氧化,则磷酸盐沉淀中含有的物质为。(3) 假设电解前后Ni2+浓度基本不变,若使Ni2+在除杂过程不损失,则溶液中P浓度不能超过molL-1(列出计算表达式,KspNi3(PO4)2=510-31)。(4) 滤液中的可回收循环使用;研究发现当NaOH溶液浓度过大时,部分铝元素和铬元素会在滤液中出现,滤液中出现铝元素的原因为(用离子方程式解释)。(5) Ni(OH)2是镍氢蓄电池的正极材料,在碱性电解质中,电池充电时Ni(OH)2变为NiOOH,则电池放电时正极的电极反应式为。(6) 电镀污水中的Cr元素也可以用铁氧体法处理,原理