小专题化工流程中溶度积常数计算（定稿）

课题：课题：工艺流程——溶度积计算工艺流程总第(15)期整理与编辑：沈立鹏一．判断溶液中沉淀的离子化工流程中，某些金属离子沉淀或某些金属离子除杂，需要控制一定的pH，通过溶度积常数可判断溶液中沉淀的离子。1．钪及其化合物具有许多优良的性能，在宇航、电子、超导等方面有着广泛的应用。从钛白工业废酸(含钪、钛、铁、锰等离子)中提取氧化钪(Sc2O3)的一种流程如下：（2）先加入氨水调节pH＝3，过滤，滤渣主要成分是__________；再向滤液加入氨水调节pH＝6，滤液中Sc3+的浓度为_____________。（已知：Ksp[Mn(OH)2]＝×10－13、Ksp[Fe(OH)3]＝×10－39，Ksp[Sc(OH)3]＝×10－31）【答案】（2）Fe(OH)3×10－7mol·L－l【解析】（2）废酸中含钪、钛、铁、锰等离子，洗涤“油相”已除去大量的钛离子，根据Ksp[Mn(OH)2]＝×10－13、Ksp[Fe(OH)3]＝×10－39，Ksp[Sc(OH)3]＝×10－31，可以求出余下三种离子沉淀完全（离子浓度小于10－5mol/L）的pH，发现锰离子沉淀完全时pH约为10，钪离子沉淀完全时pH约为5，而铁离子沉淀完全时pH约为4，所以先加入氨水调节pH=3，过滤，滤渣主要成分是Fe(OH)3；再向滤液加入氨水调节pH=6，此时溶液中c(OH-)=10-8mol/L，滤液中Sc3+的浓度为9.0×10二．沉淀完全转化时所需离子浓度化工流程中原料的溶解或沉淀的转化往往要加入某种试剂，通过溶度积常数可计算出所加试剂的浓度。2．锶（Sr）为第五周期IIA族元素，其化合物六水氯化锶（SrCl2·6H2O）是实验室重要的分析试剂，工业上常以天青石（主要成分为SrSO4）为原料制备，生产流程如下：（3）加入硫酸的目的是______________________。为了提高原料的利用率，滤液中Sr2+的浓度应不高于_________mol/L（注：此时滤液中Ba2+浓度为1×10-5mol/L；SrSO4和BaSO4溶度积常数依次为3×10-7、1×10-10。）【答案】（3）除去溶液中Ba2+杂质【解析】(3)在用HCl溶解SrS后的溶液中加入硫酸的目的是除去溶液中Ba2+杂质；由于在Ba2+浓度为1×10-5

mol/L，BaSO4的溶度积常数为×10-10，所以c(SO42-)=mol/L=×10-5mol/L，而SrSO4的溶度积常数为×10-7，所以c(Sr2+)=mol/L=×10-2=L，故答案为除去溶液中Ba2+杂质；

；3．一种磁性材料的磨削废料（含镍质量分数约21%）主要成分是铁镍合金，还含有铜、钙、镁、硅的氧化物。由该废料制备纯度较高的氢氧化镍，工艺流程如下（5）已知常温下Ksp[Ni(OH)2]=×10－15，该流程在“沉镍”过程中需调节溶液pH约为_______，Ni2＋才刚好沉淀完全（离子沉淀完全的浓度≤10－5mol/L；lg2=）【答案】【解析】Ksp[Ni(OH)2]=c(Ni2+)c2(OH-)=×10-5mol/L×c2(OH-)=×10-15，则c(OH-)=×10-5，c(H+)=，该流程在“沉镍”过程中，需调节溶液pH约为时，Ni2+才刚好沉淀完全。三．判断判断沉淀转化的可能性沉淀之间的转化是有条件的，通过溶度积常数可以判断沉淀之间的转化可能性。4．一种含铝、锂、钴的新型电子材料，生产中产生的废料数量可观，废料中的铝以金属铝箔的形式存在；钴以Co2O3·CoO的形式存在，吸附在铝箔的单面或双面：锂混杂于其中。(已知Co2O3的氧化性>Cl2的氧化性)从废料中回收氧化钴(CoO)的工艺流程如下：已知：①CoCO3的溶度积为：Ksp=×10-13；②溶液中离子浓度小于×10-5mol/L时认为该离子沉淀完全。(5)将×10-4mol/LCoSO4与×10-4mol/L的Na2CO3等体积混合，此时溶液中的Co2+的浓度为__________，Co2+是否沉淀完全?__________(填“是”或“否”)。【解析】将×10-4mol/LCoSO4

与

×10-4mol/L的Na2CO3等体积混合，Co2＋与CO32－反应生成CoCO3，离子方程式为：Co2＋+CO32－=CoCO3，由离子方程式可知，反应后的溶液中c(CO32－)=(×10-4－×10-4)mol/L÷2=1×10－5mol/L，则反应后的溶液中c(Co2＋)==×10-8mol/L，c(Co2＋)＜×10-5mol/L，所以Co2＋沉淀完全，故答案为×10-8mol/L；是；5．一种含铝、锂、钴的新型电子材料，生产中产生的废料数量可观，废料中的铝以金属铝箔的形式存在；钴以Co2O3·CoO的形式存在，吸附在铝箔的单面或双面；锂混杂于其中。从废料中回收氧化钴（CoO）的工艺流程如下：仅从沉淀转化角度考虑，能否利用反应：CoCO3+C2O42-＝CoC2O4+CO32-将CoCO3转化为CoC2O4?____(填“能”或“不能”），说明理由：__________________[已知Ksp(CoCO3)=×10-13,Ksp(CoC2O4)=×10-8]。【答案】能该反应的平衡常数K=×l0-6，转化程度极小【解析】因该反应的平衡常数，转化程度极小，所以不能将CoCO3转化为CoC2O4，【对应练习】1．石棉尾矿主要含有Mg3(Si2O5)(OH)和少量的Fe2O3、Al2O3。以石棉尾矿为镁源制备碳酸镁晶体(MgCO3·nH2O)的工艺如图：已知“焙烧”过程中的主反应为：Mg3(Si2O5)(OH)4+5(NH4)2SO43MgSO4+10NH3↑+2SiO2+7H2O↑+2SO3↑（1）①“调节pH除杂”时，除去的杂质离子是，室温下，若要将溶液中的c(Fe3+)降低至×10-11mol/L，则应控制溶液的pH=（Ksp[Fe(OH)3]=×10-38）。②“调节pH除杂”时，可以选用的试剂是。A．MgOB．NaOHC．MgCO3D．HNO3【答案】（1）Fe3+、Al3+5【解析】（1）①本流程的目的是：石棉尾矿为镁源制备碳酸镁晶体(MgCO3·nH2O)，水浸后溶液中存在的杂质离子有Fe3+、Al3+，需要调节pH除杂，故答案为：Fe3+、Al3+；室温下，若要将溶液中的c(Fe3+)降低至×10-11mol/L，根据Ksp[Fe(OH)3]=×10-38可知Ksp[Fe(OH)3]=，带入数据，解得c(OH-)=×10-9mol·L，c(H+)=×10-9mol·L，pH=5，故答案为：5；②“调节pH除杂”时，需将pH调至5除去Fe3+、Al3+，并注意不能引入杂质，可以选用的试剂是MgO、MgCO3、Mg(OH)2等，故答案为：AC。2．为充分利用资源，变废为宝，工业上回收废旧锂离子电池来制备钴镍锰酸锂三元正极材料(LiCoxNiyMnzO2，x+y+z=1)，工艺流程如下(正极一般以铝箔作为基底，两侧均匀涂覆正极材料，正极材料包括一定配比的活性物质，如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂三元材料)：常温下，向含Co2+、Ni2+、Mn2+的溶液中加入稀氨水调c(OH－)=____________，可保证Co2+、Ni2+、Mn2+均沉淀完全。(已知：常温下Ksp[Co(OH)2]=1×10－15，Ksp[Ni(OH)2]=2×10－15，Ksp[Mn(OH)2]=2×10－13，≈【答案】mol·L-1【解析】常温下，向含Co2+、Ni2+、Mn2+的溶液中加入稀氨水，使Co2+、Ni2+、Mn2+均沉淀完全，此时溶液中Co2+、Ni2+、Mn2+的浓度均小于110-5mol·L-1，因为它们形成的氢氧化物都是R(OH)2这个形式，对于化学式中阴阳离子个数比相同的，Ksp越小溶解度越小，只要把Ksp最大的Mn(OH)2沉淀完全，其他两种离子也能沉淀完全，110-5c2(OH-)=2×10－13，c(OH-)mol·L-1；3．2022年诺贝尔化学奖授予英、美、日籍的三位科学家，以表彰他们在锂离子电池研发领域做出的贡献。锂离子电池广泛应用于手机、笔记本、电动汽车、智能机器人等产品中。已知钴酸锂(LiCoO2)电池中还含有铝箔、石墨、塑料等，利用以下工艺流程回收废旧电池中的金属资源。已知Li2CO3微溶于水，其饱和溶液的浓度与温度关系见下表。为了减少碳酸锂的损失，图中“操作”应为___，90℃时Ksp(Li2CO3)的值为。【答案】×10-3【解析】Li2CO3微溶于水，溶解度随温度升高而降低，为减少Li2CO3的溶解损失，蒸发结晶后必须趁热过滤；90℃时c(Li2CO3)的浓度为L，则c(Li+)=L，c(CO32-)=L，则Ksp(Li2CO3)=××=×10-3。4．为回收利用废镍催化剂（主要成分为NiO，另含Fe2O3、CaO、CuO、BaO等），科研人员研制了一种回收镍的新工艺。工艺流程如图：已知：①常温下，有关氢氧化物开始沉淀和沉淀完全的pH如表氢氧化物Fe(OH)3Fe(OH)2Ni(OH)2开始沉淀的pH沉淀完全的pH②常温下，Ksp(CaF2)=×10－11操作C可除去溶液中的Ca2+，若控制溶液中F－浓度为3×10－3mol/L，则溶液中c(Ca2+):c(F－)=___________________。【答案】×10-3【解析】根据常温时CaF2的溶度积常数为×10−11可知，溶液中F−浓度为3×10−3mol⋅L−1，则Ca2+的浓度为=3×10−6mol/L，所以则溶液中==×10−3，故答案为：×10−3；6．实验室配制Fe（NO3）3溶液，为防止出现浑浊，一般是将Fe（NO3）3固体溶于稀HNO3后再加水稀释。已知25℃时，Ksp[Fe（OH）3]＝4×10-38，此温度下在实验室中配制100mL5mol·L-1Fe（NO3）3溶液，则至少需要________mL、4mol·L-1HNO3。【答案】【解析】根据溶度积公式可计算，由水的离子积可知。设需要xmL、4mol·L-1HNO3，则xmL×4mol·L-1=·L-1×100mL，解得x=，故答案为：。8．工业上以钒炉渣(主要含V2O3，还有少量SiO2、P2O5等杂质)为原料可以制备氧钒碱式碳酸铵晶体[(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)9·10H2O]，其生产工艺流程如下。“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)，若滤液中c(VO3-)=·L-1，为使钒元素的沉降率达到98％，至少应调节c(NH4+)为____mol·L-1。[已知Ksp(NH4VO3)=×10-3]【答案】【解析】已知Ksp(NH4VO3)=c(NH4+)•c(VO3-)=×10-3,若滤液中c(VO3-)=·L-1，为使钒元素的沉降率达到98％，则溶液中剩余c(VO3-)=·L-1×2%=mol·L-1，此时c(NH4+)=mol·L-1=·L-1；9．As2O3在玻璃工业中常用作澄清剂和脱色剂，工业上采用酸性高浓度含砷废水(主要以H3AsO3形式存在)提取As2O3的工艺流程如下：滤渣Ⅰ中含有FeAsO4、Fe(OH)3、Ca3(AsO4)2和_______(填化学式)；已知Ksp[FeAsO4]=×10-21，含砷污染物允许排放标准为不大于mg∙L-1。若低浓度含砷废水(假设砷均以Na3AsO4形式存在)中Fe3＋的浓度为1.0×10-4mol∙L-1，则低浓度含砷废水中Na3AsO4的浓度为_____mg∙L-1，_____(填“符合”或“不符合”)排放标准。【答案】CaSO4×10-11符合【解析】加入石灰水，滤渣

I

中除含有

FeAsO4、Fe(OH)3、Ca3(AsO4)2

，还含有CaSO4，Fe3+的浓度为×10-4

mol•L-1，则c(AsO43-)=mol/L=×10-17

mol/L，则1L废水中含有As的物质的量为×10-17

mol，质量为×10-11

mg，小于

mg•L-1，符合排放标准，故答案为：CaSO4；×10-11；符合。10．高锰酸钾消毒片主要成分为KMnO4，可外用消炎杀菌。用某软锰矿(主要成分是MnO2，还含有A12O3、SiO2等杂质)制备KMnO4的流程图如下：已知：K2MnO4固体和溶液均为墨绿色，溶液呈碱性且能发生可逆的歧化反应。制取过程中，若pH调节不合理易生成Mn2+。在废水处理领域中常用H2S将Mn2+转化为MnS除去，向含·L-1Mn2+废水中通入一定量H2S气体，调节溶液的pH=a，当HS-浓度为×10-4mol·L-1时，Mn2+开始沉淀，则a=__________。[已知：H2S的Ka1=×10-7Ka2=×10-15；Ksp(MnS)=×10-14]【答案】6【解析】向含Mn2＋为·L-1的废水中通入一定量的H2S气体，调节溶液的pH=a，当HS－浓度为×10-4mol·L-1时，Mn2＋开始沉淀，则c（Mn2＋）c（S2－）=c（Mn2＋）×=Ksp（MnS），即×=×10-15，解得c（H＋）=×10-6mol·L-1，即pH=6，故答案为：6。11．磷酸铁(FePO4)常用作电极材料、陶瓷及制药等。以硫铁矿(主要成分是FeS2，含少量Al2O3、SiO2和Fe3O4)为原料制备磷酸铁的流程如下：已知几种金属离子沉淀的pH如表所示：金属氢氧化物Fe(OH)3Fe(OH)2Al(OH)3开始沉淀的pH完全沉淀的pH常温下，Ksp(FePO4)＝×10－22，“沉铁”中为了使c(Fe3＋)≤1×10－5mol·L－1，c(PO43－)最小为__________mol·L－1。【答案】×10－17【解析】根据溶度积进行计算，c(PO43－)==×10－17mol·L－1；答案：×10－17mol·L－1。12．磷酸铝(AlPO4)是一种用途广泛的材料，在建筑、耐火材料、化工等方面具有广泛的应用前景。以磷硅渣[主要成分为Ca3(PO4)2、Al2O3、SiO2和V2O5等]为原料制备磷酸铝的工艺流程如图所示：已知：Ksp(AlPO4)=×10－19、Ksp[Ca3(PO4)2]=×10－29。在物质的量浓度分别为·L－1的CaCl2和AlCl3的混合溶液中加入等体积的Na3PO4溶液，若使A13+恰好沉淀完全，即溶液中c(A13+)=×10－5mol·L－1，此时是否有Ca3(PO4)2沉淀生成：____________(列式计算)。【答案】Al3+恰好沉淀完全时，，，因此不会生成Ca3(PO4)2沉淀【解析】Al3+恰好沉淀完全时，，，因此不会生成Ca3(PO4)2沉淀，故答案为：Al3+恰好沉淀完全时，，，因此不会生成Ca3(PO4)2沉淀。13．硫酸渣（含Fe2O3、SiO2等）是指黄铁矿制硫酸后的残渣。以硫酸渣为原料制备氧化铁黄（α-FeOOH）的一种工艺流程如图。回答下列问题：“还原”之后也可以采用如图流程来“沉铁”，“沉铁”过程中生成Fe（OH）2的离子方程式为；若用过量CaCO3“沉铁”，则会生成FeCO3沉淀。“沉铁”后=[已知Ksp（CaCO3）=×10-9，Ksp（FeCO3）=2×10-11]。【答案】Fe2++2HCO3-=Fe（OH）2↓+2CO2↑140【解析】沉铁”过程中生成Fe（OH）2的离子方程式为Fe2++2HCO3-═Fe（OH）2↓+2CO2↑，若用CaCO3“沉铁”，则生成FeCO3沉淀，当反应完成时，溶液中c。17．实验室用软锰矿(主要成分为MnO2)和黄铁矿(主要成分为FeS2)为原料制取Mn2O3和单质硫，其实验流程如下：室温下，为使杂质离子浓度小于1×10－6mol·L－1，除铁步骤中需调节溶液pH范围为________(已知：Ksp[Fe(OH)2]＝×10－16、Ksp[Fe(OH)3]＝×10－39，pH＝时Mn(OH)2开始沉淀)【答案】<pH<【解析】c3(OH-)===10-33，c(OH-)=10-11，c(H+)===10-3，pH=，锰离子沉淀时pH值是，所以除去杂质铁离子调节pH值的范围是，故答案为：<pH<；21．K3[Fe(C2O4)3]·3H2O〔三草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体〕是制备负载型活性铁催化剂的主要原料，也是一些有机反应很好的催化剂。下图是在实验室制备K3[Fe(C2O4)3]·3H2O的流程：回答下列问题：（1）步骤I中加入稀硫酸的目的是_______________。步骤II中发生的主要化学反应为一可逆过程，其离子方程式为_______________。常温下，该反应的平衡常数K=_______________[已知常温下：Ka1(H2C2O4)=×10-2、Ka2(H2C2O4)=×10-5、Ksp(FeC2