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题型强化练(三)化学工业流程题解题突破1.(2022·汕头第一次模拟考试)砷的化合物可用于半导体领域,如我国“天宫”空间站的核心舱“天和号”就是采用砷化镓薄膜电池来供电。一种从酸性高浓度含砷废水[砷主要以亚砷酸(H3AsO3)形式存在]中回收砷的工艺流程如下:已知:ⅰ.As2S3+6NaOH=Na3AsO3+Na3AsS3+3H2O。ⅱ.As2S3(s)+3S2-(aq)2AsSeq\o\al(3-,3)(aq)。ⅲ.砷酸(H3AsO4)在酸性条件下有强氧化性,能被SO2、氢碘酸等还原。请回答下列问题:(1)As2S3中砷元素的化合价为________价。(2)“沉砷”过程中FeS是否可以用过量的Na2S替换________(填“是”或“否”);请从平衡移动的角度解释原因:___________________________________________________________________________________________________________________________。(3)向滤液Ⅱ中通入氧气进行“氧化脱硫”,请写出脱硫反应的离子方程式:________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)用SO2“还原”过程中,若需检验还原后溶液中是否仍存在砷酸。则还需要的实验试剂有________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)已知:常温下,pH>7.1时,吸附剂表面带负电,pH越大,吸附剂表面带的负电荷越多;pH<7.1时,吸附剂表面带正电,pH越小,吸附剂表面带的正电荷越多。当溶液pH介于7~9,吸附剂对五价砷的平衡吸附量随pH的升高而下降,试分析其原因:________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)含砷废水也可采用另一种化学沉降法处理:向废水中先加入适量氧化剂,再加入生石灰调节pH,将砷元素转化为Ca3(AsO4)2沉淀。若沉降后上层清液中c(Ca2+)为2×10-3mol·L-1,则溶液中c(AsOeq\o\al(3-,4))的浓度为________mol·L-1。该处理后的溶液是否符合国家排放标准__________(填“是”或“否”)。(已知:Ksp[Ca3(AsO4)2]=8×10-19,国家规定工业废水排放中砷元素含量<0.5mg/L)解析:含砷废水加入硫化亚铁生成As2S3沉淀,As2S3沉淀和过量的硫化亚铁加入氢氧化钠,As2S3+6NaOH=Na3AsO3+Na3AsS3+3H2O,浸取得到硫化亚铁滤渣和含Na3AsO3、Na3AsS3的滤液Ⅱ;滤液Ⅱ氧化脱硫生成硫单质和Na3AsO4,酸化后生成H3AsO4,砷酸(H3AsO4)在酸性条件下有强氧化性,能被SO2还原生成As2O3。(1)As2S3中硫元素化合价为-2价,则砷元素的化合价为+3价。(2)已知:ⅱ.As2S3(s)+3S2-(aq)2AsSeq\o\al(3-,3)(aq);加入过量的硫化钠,溶液中c(S2-)增大,平衡正向移动不利于沉砷,故“沉砷”过程中FeS不可以用过量的Na2S替换。(3)由题中流程图可知,向滤液Ⅱ中通入氧气进行“氧化脱硫”,AsSeq\o\al(3-,3)和氧气生成AsOeq\o\al(3-,4)和硫单质,反应的离子方程式:AsSeq\o\al(3-,3)+2O2=AsOeq\o\al(3-,4)+3S↓。(4)砷酸具有氧化性,可以和碘离子生成能使淀粉变蓝色的碘单质,故还需要的实验试剂有氢碘酸、淀粉溶液。(5)由题图1、题图2可知,当pH介于7~9,随pH升高,H2AsOeq\o\al(-,4)转变为HAsOeq\o\al(2-,4),吸附剂表面所带负电荷增多,AsOeq\o\al(3-,4)也带负电荷,静电斥力增加,导致对五价砷的吸附量下降。(6)已知:Ksp[Ca3(AsO4)2]=8×10-19,沉降后上层清液中c(Ca2+)为2×10-3mol·L-1,则(2×10-3)3×c2(AsOeq\o\al(3-,4))=8×10-19,解得溶液中c(AsOeq\o\al(3-,4))的浓度为1×10-5mol·L-1。处理后每升废水中砷元素含量为1×10-5mol×75g·mol-1×103mg/g=0.75mg>0.5mg,故不符合国家排放标准。答案:(1)+3(2)否由于As2S3(s)+3S2-(aq)2AsSeq\o\al(3-,3)(aq),加入过量的硫化钠,溶液中c(S2-)增大,平衡正向移动不利于沉砷(3)AsSeq\o\al(3-,3)+2O2=AsOeq\o\al(3-,4)+3S↓(4)氢碘酸、淀粉溶液(5)pH介于7~9时,随pH升高,H2AsOeq\o\al(-,4)转变为HAsOeq\o\al(2-,4),吸附剂表面所带负电荷增多,静电斥力增加,吸附量下降(6)1×10-5否2.(2022·深圳第一次调研)钛铁渣是铝热法炼铁时产生的废渣。一种以钛铁渣(主要含Al2O3、TiO2,还含Fe2O3、CaO、MgO及SiO2等杂质)为原料制备钛白粉并回收含铝物质的工艺如图:已知:“酸浸”时,TiO2转化为TiO2+进入溶液。回答下列问题:(1)“浸渣”的主要成分为SiO2和________(填化学式);TiO2发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)“有机相2”可在该流程________步骤中循环使用。(3)“水相2”中钛的存在形式为________。(4)“水相1”中Fe3+的浓度为0.06mol·L-1。向“水相1”中加入NH3·H2O调节溶液pH为8。已知:常温下,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38。“滤液”中c(Fe3+)=________mol·L-1;“滤液”经处理后得到的________(填化学式)可作化肥。(5)“试剂X”为________(填化学式)溶液。(6)钛铁(TiFe)合金是常见的储氢合金材料。一种高温下电解钛精矿(主要成分为FeTiO3)制备TiFe合金的装置示意图如下图所示。①连接FeTiO3的电阻丝应与电源________极相接。②形成TiFe合金的主要反应如下:Ⅰ.电极反应:第一步析铁:_________________________________________________________________;第二步析钛:TiO2+4e-=Ti+2O2-。Ⅱ.转化:2Fe+Ti=TiFe2;TiFe2+Ti=2TiFe。③电解结束后,继续通入氩气直至反应器内产物自然冷却至室温,其主要目的是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析:钛铁渣先用硫酸浸取,SiO2难溶,同时CaO转化为难溶的CaSO4,所以浸渣主要成分为SiO2和CaSO4;得到含有Al3+、TiO2+、Fe3+、Mg2+的溶液,然后萃取,根据有机相的后续处理可知,Ti元素进入有机相,有机相中加入稀硫酸反萃取,根据酸浸时Ti元素的存在形式可知,水相中含有TiO2+,经沉淀、烘干焙烧得到TiO2;萃取分液后的水相1加入NH3·H2O调节pH,过滤得到Al(OH)3、Fe(OH)3、Mg(OH)2沉淀,向沉淀中加入NaOH溶液,Al(OH)3溶解得到偏铝酸钠。(1)酸浸时SiO2难溶,同时CaO转化为难溶的CaSO4,所以浸渣主要成分为SiO2和CaSO4;+H2SO4=TiOSO4+H2O。(2)有机相2即有机相1中的Ti元素被反萃取后的有机物,所以可以在“萃取”步骤中循环使用。(3)根据酸浸时Ti元素的存在形式可知,水相中钛的存在形式为TiO2+。(4)溶液pH为8,则溶液中c(OH-)=10-6mol·L-1,“滤液”中c(Fe3+)=eq\f(Ksp[Fe(OH)3],c3(OH-))=eq\f(4.0×10-38,(10-6)3)mol·L-1=4×10-20mol·L-1;酸浸时用到了硫酸,之后用NH3·H2O调节pH,所以滤液中主要含有(NH4)2SO4,处理后可以作氮肥。(5)试剂X可以将Al(OH)3转化为NaAlO2,所以为NaOH溶液。(6)①题图所示装置的目的是利用FeTiO3制备TiFe合金,所以Fe、Ti元素要得电子发生还原反应,所以应为电解池的阴极,连接FeTiO3的电阻丝应与电源负极相接。②第一步析铁,即FeTiO3要被还原为Fe单质,根据第二步反+O2-。③氩气可以作为保护气,防止生成的TiFe合金被氧化。答案:(1)CaSO4TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O(2)萃取(3)TiO2+(或TiOSO4)(4)4×10-20(NH4)2SO4(5)NaOH(6)①负②FeTiO3+2e-=Fe+TiO2+O2-③防止生成的TiFe合金被氧化3.钒具有广泛用途。黏土钒矿中,钒以+3、+4、+5价的化合物存在,还包含钾、镁的铝硅酸盐,以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。该工艺条件下,溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:金属离子Fe3+Fe2+Al3+Mn2+开始沉淀pH1.97.03.08.1完全沉淀pH3.29.04.710.1回答下列问题:(1)“酸浸氧化”需要加热,其原因是_________________________________________________________________________________________________________________。(2)“酸浸氧化”中,VO+和VO2+被氧化成VOeq\o\al(+,2),同时还有_______离子被氧化。写出VO+转化为VOeq\o\al(+,2)反应的离子方程式:____________________________________________________________________________________________________________________。(3)“中和沉淀”中,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、________,以及部分的________。(4)“沉淀转溶”中,V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是________。(5)“调pH”中有沉淀生产,生成沉淀反应的化学方程式是________________________________________________________________________。(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时,需要加入过量NH4Cl,其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析:黏土钒矿中,钒以+3、+4、+5价的化合物存在,还包含钾、镁的铝硅酸盐,以及SiO2、Fe3O4,用30%H2SO4和MnO2“酸浸氧化”时VO+和VO2+被氧化成VOeq\o\al(+,2),Fe3O4与硫酸反应生成的Fe2+被氧化成Fe3+,SiO2此过程中不反应,滤液①中含有VOeq\o\al(+,2)、K+、Mg2+、Al3+、Fe3+、Mn2+、SOeq\o\al(2-,4);滤液①中加入NaOH调节pH介于3.0~3.1,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,根据表中提供的溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH,此过程中Fe3+部分转化为Fe(OH)3沉淀,部分Al3+转化为Al(OH)3沉淀,滤液②中含有K+、Na+、Mg2+、Al3+、Fe3+、Mn2+、SOeq\o\al(2-,4),滤饼②中含V2O5·xH2O、Fe(OH)3、Al(OH)3,滤饼②中加入NaOH使pH>13,V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解,Al(OH)3转化为NaAlO2,则滤渣③的主要成分为Fe(OH)3;滤液③中含钒酸盐、偏铝酸钠,加入HCl调pH=8.5,NaAlO2转化为Al(OH)3沉淀而除去;最后向滤液④中加入NH4Cl“沉钒”得到NH4VO3。(1)“酸浸氧化”需要加热,其原因是升高温度,增大酸浸和氧化的反应速率(促进氧化完全)。(2)“酸浸氧化”中,钒矿粉中的Fe3O4与硫酸反应生成FeSO4、Fe2(SO4)3和水,MnO2具有氧化性,Fe2+具有还原性,则VO+和VO2+被氧化成VOeq\o\al(+,2)的同时还有Fe2+被氧化,反应的离子方程式为MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O;VO+转化为VOeq\o\al(+,2)时,钒元素的化合价由+3价升至+5价,1molVO+失去2mol电子,MnO2被还原为Mn2+,Mn元素的化合价由+4价降至+2价,1molMnO2得到2mol电子,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒,VO+转化为VOeq\o\al(+,2)反应的离子方程式为VO++MnO2+2H+=VOeq\o\al(+,2)+Mn2++H2O。(3)根据分析,“中和沉淀”中,钒水解并沉淀为V2O5·xH2O,随滤液②可除去金属离子K+、Mg2+、Na+、Mn2+,以及部分的Fe3+、Al3+。(4)根据分析,滤渣③的主要成分是Fe(OH)3。(5)“调pH”中有沉淀生成,是NaAlO2与HCl反应生成Al(OH)3沉淀,反应的化学方程式是NaAlO2+HCl+H2O=NaCl+Al(OH)3↓。(6)“沉钒”中析出NH4VO3晶体时,需要加入过量NH4Cl,其原因是增大NHeq\o\al(+,4)离子浓度,利用同离子效应,促进NH4VO3尽可能析出完全。答案:(1)增大酸浸和氧化的反应速率(促进氧化完全)(2)Fe2+VO++MnO2+2H+=VOeq\o\al(+,2)+Mn2++H2O(3)Mn2+Fe3+、Al3+(4)Fe(OH)3(5)NaAlO2+HCl+H2O=NaCl+Al(OH)3↓(6)利用同离子效应,促进NH4VO3尽可能析出完全4.利用火法炼铜后产生的含锌铜烟尘(主要成分为ZnO、CuO和少量铁的氧化物)制备活性氧化锌(ZnO),同时回收硫酸铵晶体的工艺流程如下:已知:25℃时溶液中金属离子物质的量浓度c与pH的关系如图所示;当溶液中某离子浓度c≤1.0×10-5mol·L-1时,可认为该离子沉淀完全。回答下列问题:(1)“步骤Ⅰ“加入H2O2后,再将溶液进行加热,加热的目的是_________________________________________________________________________________________;该步骤也可以在加入H2O2后选择合适试剂将pH至少调至________,以达到相同的目的,可选择的试剂是________(填字母)。A.氨水 B.氢氧化钠C.氧化锌 D.氢氧化钡(2)“步骤Ⅱ”所加试剂a为________。(3)“步骤Ⅲ”中得到沉淀的化学式可以表示为aZnCO3·bZn(OH)2,该反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________;实验时称取34.9g沉淀充分焙烧,当_______________________________________________________________________________________________________________时可认为焙烧完全,最终获得24.3g活性氧化锌,通过计算确定aZnCO3·bZn(OH)2中a与b之比为__________。(4)由滤液Ⅰ得到硫酸铵晶体的一系列操作为________________________________________。解析:含锌铜烟尘主要成分为ZnO、CuO和少量铁的氧化物,预处理后加入稀硫酸溶解,过滤除去不溶性残渣后得到含有ZnSO4、CuSO4、FeSO4和Fe2(SO4)3的混合溶液;向混合溶液中加入H2O2,将Fe2+氧化为Fe3+,加热促进Fe3+水解使其转化为Fe(OH)3沉淀,过滤得到滤渣Ⅰ为Fe(OH)3;向滤液中加入试剂a应为Zn,利用Zn的活泼性比Cu强,置换出Cu,过滤除去,滤渣Ⅱ为Cu和过量的Zn;再向所得滤液中加入NH4HCO3,得到aZnCO3·bZn(OH)2沉淀,然后过滤得到沉淀和滤液Ⅰ,将沉淀焙烧得到ZnO;将滤液Ⅰ蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到硫酸铵晶体。(1)“步骤Ⅰ“加入H2O2后,Fe2+被氧化为Fe3+,再将溶液进行加热,促进Fe3+水解使其转化为Fe(

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