统考版2024届高考化学二轮专项分层特训卷练27化工生产工艺流程的创新应用

练27化工生产工艺流程的创新应用1．[2023·全国甲卷]BaTiO3是一种压电材料。以BaSO4为原料，采用下列路线可制备粉状BaTiO3。回答下列问题：（1）“焙烧”步骤中碳粉的主要作用是________________________________________________________________________。（2）“焙烧”后固体产物有BaCl2、易溶于水的BaS和微溶于水的CaS。“浸取”时主要反应的离子方程式为。（3）“酸化”步骤应选用的酸是（填标号）。a．稀硫酸b．浓硫酸c．盐酸d．磷酸（4）如果焙烧后的产物直接用酸浸取，是否可行？，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（5）“沉淀”步骤中生成BaTiO（C2O4）2的化学方程式为________________________________________________________________________。（6）“热分解”生成粉状钛酸钡，产生的nCO2∶nCO＝。2．[2023·全国乙卷]LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿（MnCO3，含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素）制备LiMn2O4的流程如下：已知：Ksp[Fe（OH）3]＝2.8×10－39，Ksp[Al（OH）3]＝1.3×10－33，Ksp[Ni（OH）2]＝5.5×10－16。回答下列问题：（1）硫酸溶矿主要反应的化学方程式为。为提高溶矿速率，可采取的措施________________________________________________________________________（举1例）。（2）加入少量MnO2的作用是。不宜使用H2O2替代MnO2，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（3）溶矿反应完成后，反应器中溶液pH＝4，此时c（Fe3＋）＝mol·L－1；用石灰乳调节至pH≈7，除去的金属离子是。（4）加入少量BaS溶液除去Ni2＋，生成的沉淀有。（5）在电解槽中，发生电解反应的离子方程式为。随着电解反应进行，为保持电解液成分稳定，应不断。电解废液可在反应器中循环利用。（6）煅烧窑中，生成LiMn2O4反应的化学方程式是________________________________________________________________________。3．[2023·新课标卷]铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在，主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物，从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图所示：已知：最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))存在，在碱性介质中以CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))存在。回答下列问题：（1）煅烧过程中，钒和铬被氧化为相应的最高价含氧酸盐，其中含铬化合物主要为（填化学式）。（2）水浸渣中主要有SiO2和。（3）“沉淀”步骤调pH到弱碱性，主要除去的杂质是。（4）“除硅磷”步骤中，使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀，该步需要控制溶液的pH≈9以达到最好的除杂效果，若pH<9时，会导致；pH>9时，会导致________________________________________________________________________。（5）“分离钒”步骤中，将溶液pH调到1.8左右得到V2O5沉淀，V2O5在pH<1时，溶解为VOeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do1(2))或VO3＋；在碱性条件下，溶解为VOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))或VOeq\o\al(\s\up1(3－),\s\do1(4))，上述性质说明V2O5具有（填标号）。A．酸性B．碱性C．两性（6）“还原”步骤中加入焦亚硫酸钠（Na2S2O5）溶液，反应的离子方程式为________________________________________________________________________。4．[2023·重庆联合诊断检测]高性能磁带的磁粉主要成分是CoxFe3－xO4，某探究小组设计了如图甲所示流程制取CoxFe3－xO4。图中正极材料的主要成分是LiCoO2，还含有少量Al和Fe{已知常温下，Ksp[Co（OH）2]＝1.6×10－15）。请根据流程回答下列问题：（1）流程中放出的“气体”的化学式为。（2）提高酸浸浸取率的措施是（写两条即可）。（3）在“酸浸”过程中，加入Na2S2O3的作用是。（4）实验室要完成②的操作会用到下列仪器中的（填字母）。a．坩埚b．烧杯c．蒸发皿d．泥三角（5）写出①的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（6）常温时，“沉钴”过程中，当溶液的pH＝11时，c（Co2＋）＝________________________________________________________________________。（7）在空气中加热Co（OH）2，固体残留率随温度的变化如图乙所示，则A点主要的固体产物为（属于氧化物，填化学式）。5．[2023·山东潍坊一模]铼（Re）是熔点和沸点较高的金属单质之一，用于制造高效能喷射引擎和火箭引擎。从辉钼矿氧化焙烧后的烟道灰（主要成分有Re2O7、ReS2、ReO3、PbO、MoO3、CuO、Fe3O4）中提取铼粉的流程如图甲所示。已知：Ⅰ.Re2O7易溶于水，高铼酸钾（KReO4）在水中的溶解度随温度变化较大；Ⅱ.RCl阴离子交换树脂，对铼具有良好的选择性，在酸性体系中能够有效地吸附铼。回答下列问题：（1）“氧化浸出”过程，ReS2、ReO3被氧化为ReOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))，ReO3被氧化的离子方程式为。浸出过程中，在浸出时间相同的条件下改变液固比，实验结果如图乙所示，则实际生产中应选择的液固比是（填序号）。a．2∶1b．3∶1c．4∶1d．5∶1（2）“水解中和”过程，加NH4HCO3调溶液pH至6左右，过滤后得到滤渣1中除钼的化合物还有（写化学式）。（3）“硫化沉淀”过程，先加入硫化铵，与溶液中的MoOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))反应生成MoSeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，再加入H2SO4调pH使MoSeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))转化为更难溶的MoS3，则生成沉淀的离子方程式是________________________________________________________________________。（4）“解吸”后的离子交换树脂用（填化学式）溶液再生处理后可循环使用。（5）“提纯”所用的方法是（填操作名称），“氢还原”过程是在管式电炉中，800℃时通入氢气，反应的化学方程式为________________________________________________________________________。6．[2023·山东名校高三联考]MnCO3是制造电信器材软磁铁氧体的原料。工业上利用软锰矿（主要成分为MnO2，还含有CaCO3、Fe2O3、Al2O3等杂质）制取碳酸锰的流程如图所示。已知：还原焙烧主反应为2MnO2＋Ceq\o(=,\s\up7(△))2MnO＋CO2↑；Na2S2O8能将Mn2＋氧化为MnOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))。（1）步骤C中得到的滤渣的成分是，步骤D中还原剂与氧化剂的物质的量之比为，步骤E中调节pH至4.5的作用是________________________________________________________________________。（2）pH＝0的溶液中，不同价态含锰微粒的能量（ΔG）如图。若某种含锰微粒的能量处于相邻价态两种微粒能量连线左上方，则该微粒不稳定并发生歧化反应，转化为相邻价态的微粒。图中五种含锰微粒中，不能稳定存在于pH＝0的溶液中的离子有。（3）步骤G的离子方程式为________________________________________________________________________。（4）设计实验证明步骤H中Mn2＋是否已完全反应：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（5）实验室中利用固体KMnO4进行如图实验：若标准状况下收集到气体H的体积为4.48L，则气体G的物质的量为。练27化工生产工艺流程的创新应用1．答案：（1）作还原剂，将BaSO4还原（2）S2－＋Ca2＋=CaS↓（3）c（4）不可行CaS也会与盐酸反应生成可溶于水的CaCl2和有毒的H2S气体，导致BaCl2溶液中混有杂质，最终所得产品的纯度降低（5）BaCl2＋TiCl4＋H2O＋2（NH4）2C2O4=BaTiO（C2O4）2↓＋4NH4Cl＋2HCl（6）1∶1解析：由流程和题中信息可知，BaSO4与过量的碳粉及过量的氯化钙在高温下焙烧得到CO、BaCl2、易溶于水的BaS和微溶于水的CaS；烧渣经水浸取后过滤，滤渣中碳粉和CaS，滤液中有BaCl2和BaS；滤液经酸化后浓缩结晶得到BaCl2晶体；BaCl2晶体溶于水后，加入TiCl4和（NH4）2C2O4将钡离子充分沉淀得到BaTiO（C2O4）2；BaTiO（C2O4）2经热分解得到BaTiO3。（1）“焙烧”步骤中，BaSO4与过量的碳粉及过量的氯化钙在高温下焙烧得到CO、BaCl2、BaS和CaS，BaSO4被还原为BaS，因此，碳粉的主要作用是作还原剂，将BaSO4还原。（3）“酸化”步骤是为了将BaS转化为易溶的钡盐，为了不引入杂质，应选用的酸是盐酸，选c。（4）如果焙烧后的产物直接用酸浸取是不可行的，其原因是CaS也会与盐酸反应生成可溶于水的CaCl2和有毒的H2S气体，导致BaCl2溶液中混有杂质，最终所得产品的纯度降低。（5）“沉淀”步骤中生成BaTiO（C2O4）2的化学方程式为：BaCl2＋TiCl4＋H2O＋2（NH4）2C2O4=BaTiO（C2O4）2↓＋4NH4Cl＋2HCl。（6）“热分解”生成粉状钛酸钡，该反应的化学方程式为，BaTiO（C2O4）2eq\o(=,\s\up7(△))BaTiO3＋2CO2↑＋2CO↑，因此，产生的neq\a\vs4\al(CO2)∶nCO＝1∶1。2．答案：（1）MnCO3＋H2SO4=MnSO4＋H2O＋CO2↑粉碎菱锰矿（2）将Fe2＋氧化为Fe3＋Fe3＋可以催化H2O2分解（3）2.8×10－9Al3＋（4）BaSO4、NiS（5）Mn2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))H2↑＋MnO2↓＋2H＋加水（6）2Li2CO3＋8MnO2eq\o(=,\s\up7(煅烧))4LiMn2O4＋2CO2↑＋O2↑解析：根据题给的流程，将菱锰矿置于反应器中，加入硫酸和MnO2，可将固体溶解为离子，将杂质中的Fe、Ni、Al等元素物质也转化为其离子形式，同时，加入的MnO2可以将溶液中的Fe2＋氧化为Fe3＋；随后将溶液pH调至约等于7，此时，根据已知条件给出的三种氢氧化物的溶度积可知，可以将溶液中的Al3＋沉淀出来；随后加入BaS，可以将溶液中的Ni2＋沉淀，得到相应的滤渣；后溶液中含有大量的Mn2＋，将此溶液置于电解槽中电解，得到MnO2，将MnO2与碳酸锂共同煅烧得到最终产物LiMn2O4。（1）菱锰矿中主要含有MnCO3，加入硫酸后可以与其反应，硫酸溶矿主要反应的化学方程式为：MnCO3＋H2SO4=MnSO4＋H2O＋CO2↑；为提高溶矿速率，可以将菱锰矿粉碎。（2）根据分析，加入MnO2的作用是将酸溶后溶液中含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，但不宜使用H2O2氧化Fe2＋，因为Mn2＋和氧化后生成的Fe3＋可以催化H2O2分解，原料利用率低。（3）溶矿完成以后，反应器中溶液pH＝4，此时溶液中c（OH－）＝1.0×10－10mol·L－1，此时体系中含有的c（Fe3＋）＝eq\f(Ksp[Fe（OH）3],c3（OH－）)＝2.8×10－9mol·L－1，这时，溶液中的c（Fe3＋）小于1.0×10－5，认为Fe3＋已经沉淀完全；用石灰乳调节至pH≈7，这时溶液中c（OH－）＝1.0×10－7mol·L－1，溶液中c（Al3＋）＝1.3×10－12mol·L－1，c（Ni2＋）＝5.5×10－2mol·L－1，c（Al3＋）小于1.0×10－5，Al3＋沉淀完全，这一阶段除去的金属离子是Al3＋。（4）加入少量BaS溶液除去Ni2＋，此时溶液中发生反应的离子方程式为BaS＋Ni2＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))=BaSO4↓＋NiS↓，生成的沉淀有BaSO4、NiS。（5）在电解槽中，Mn2＋发生反应生成MnO2，反应的离子方程式为Mn2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))H2↑＋MnO2↓＋2H＋；电解时电解液中消耗水、生成H2SO4，为保持电解液成分稳定，应不断补充水。（6）煅烧窑中MnO2与Li2CO3发生反应生成LiMn2O4，反应的化学方程式为2Li2CO3＋8MnO2eq\o(=,\s\up7(煅烧))4LiMn2O4＋2CO2↑＋O2↑。3．答案：（1）Na2CrO4（2）Fe2O3（3）Al（OH）3（4）不利于形成MgNH4PO4沉淀不能形成MgSiO3沉淀（5）C（6）2Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋3S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(5))＋10H＋=4Cr3＋＋6SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋5H2O解析：由题给流程可知，铬钒渣在氢氧化钠和空气中煅烧，将钒、铬、铁、铝、硅、磷等元素转化为相应的最高价含氧酸盐。煅烧渣加入水浸取、过滤得到含有二氧化硅、氧化铁的滤渣和滤液；向滤液中加入稀硫酸调节溶液pH将AlOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(2))转化为Al（OH）3沉淀，过滤得到Al（OH）3滤渣和滤液；向滤液中加入硫酸镁溶液、硫酸铵溶液将硅元素、磷元素转化为MgSiO3和MgNH4PO4沉淀，过滤得到含有MgSiO3、MgNH4PO4的滤渣和滤液；向滤液中加入稀硫酸调节溶液pH将钒元素转化为五氧化二钒，过滤得到五氧化二钒和滤液；向滤液中加入焦亚硫酸钠溶液将铬元素转化为三价铬离子，调节溶液pH将铬元素转化为氢氧化铬沉淀，过滤得到氢氧化铬。（4）由分析可知，加入硫酸镁溶液、硫酸铵溶液的目的是将硅元素、磷元素转化为MgSiO3和MgNH4PO4沉淀，若溶液pH<9时，会导致磷元素不能形成MgNH4PO4沉淀，若溶液pH>9时，会导致镁离子生成氢氧化镁沉淀，不能形成MgSiO3沉淀，导致产品中混有杂质；（5）由题给信息可知，五氧化二钒是能与酸溶液反应生成盐和水，也能与碱溶液反应生成盐和水的两性氧化物，故选C；（6）由题意可知，还原步骤中加入焦亚硫酸钠溶液的目的是将铬元素转化为铬离子，反应的离子方程式为2Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋3S2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(5))＋10H＋=4Cr3＋＋6SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋5H2O。4．答案：（1）H2（2）适当升高温度、不断搅拌（或适当增大硫酸的浓度）（合理即可）（3）作还原剂，将＋3价Co还原成＋2价Co（4）ad（5）4FeSO4＋8NaOH＋O2eq\o(=,\s\up7(40℃),\s\do5())4FeOOH↓＋4Na2SO4＋2H2O（6）1.6×10－9mol·L－1（7）Co3O4解析：由题给流程可知，向正极材料中加入稀硫酸和硫代硫酸钠溶液酸浸时，钴酸锂与稀硫酸、硫代硫酸钠反应生成硫酸锂、硫酸钴、硫酸钠和水，铁、铝溶于稀硫酸生成硫酸亚铁和硫酸铝，向反应后的溶液中加入氢氧化钠溶液，鼓入空气将硫酸亚铁和硫酸铝转化为氢氧化铁和氢氧化铝沉淀，过滤得到废渣和含有硫酸锂、硫酸钴、硫酸钠的滤液；向滤液中加入氢氧化钠溶液将钴离子转化为氢氧化钴沉淀，过滤得到氢氧化钴；向氢氧化钴沉淀中加入稀硫酸将氢氧化钴溶解得到硫酸钴溶液；将含有稀硫酸的硫酸亚铁溶液加入铁皮晶种生长槽中，铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气；硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液在40℃条件下搅拌得到FeOOH晶种，将晶种加入铁皮晶种生长槽中，在60℃条件下吹入空气经处理得到FeOOH粉末，在200～300℃条件下加热灼烧FeOOH粉末得到氧化铁，氧化铁与合适的还原剂作用得到四氧化三铁；四氧化三铁与硫酸钴溶液反应制得CoxFe3－xO4。（1）由分析可知，硫酸亚铁溶液加入铁皮晶种生长槽的目的是除去硫酸亚铁溶液中的稀硫酸，发生的反应为铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，则放出的气体为氢气。（2）适当升高温度、粉碎正极材料、适当增大硫酸的浓度、不断搅拌等措施能够提高酸浸的浸取率。（3）由分析可知，酸浸过程中加入稀硫酸和硫代硫酸钠溶液发生的反应为钴酸锂与稀硫酸、硫代硫酸钠反应生成硫酸锂、硫酸钴、硫酸钠和水，则加入硫代硫酸钠的目的是将钴酸锂中＋3价钴转化为＋2价钴。（4）由分析可知，②的操作是在200～300℃条件下加热灼烧FeOOH粉末得到氧化铁，实验室应在坩埚中加热灼烧FeOOH粉末，灼烧需要的仪器有坩埚、泥三角、三脚架、酒精灯，故选ad。（5）由分析可知，①发生的反应为硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液在40℃条件下搅拌得到FeOOH晶种，反应的化学方程式为4FeSO4＋O2＋8NaOHeq\o(=,\s\up7(40℃),\s\do5())4FeOOH↓＋4Na2SO4＋2H2O。（6）由氢氧化钴的溶度积可知，溶液的pH为11时，溶液中钴离子的浓度为eq\f(Ksp[Co（OH）2],c2（OH－）)＝eq\f(1.6×10－15,（10－3）2)mol·L－1＝1.6×10－9mol·L－1。（7）设氢氧化钴的质量为100g，A点的主要产物是CoOn，由钴原子个数守恒可得eq\f(100g,93g·mol－1)＝eq\f(100g×86.38%,（59＋16n）g·mol－1)，解得n＝eq\f(4,3)，则A点的主要产物的化学式为Co3O4。5．答案：（1）2ReO3＋H2O2=2ReOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))＋2H＋a（2）Fe（OH）3、Cu（OH）2（3）MoSeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H＋=MoS3↓＋H2S↑（4）HCl（5）重结晶2KReO4＋7H2eq\o(=,\s\up7(800℃),\s\do5())2Re＋6H2O＋2KOH解析：（1）根据题意ReO3被H2O2氧化为ReOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))，根据得失电子守恒、元素守恒可得离子方程式为2ReO3＋H2O2=2ReOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))＋2H＋；根据整个流程的目的可知，浸出时，需要铼有较高的浸出率，据图乙可知，当液、固比为2∶1时，铼有较高的浸出率，继续增大液固比，溶液变稀，会增加后续流程中的成本，所以选a。（2）烟道灰中还含有CuO、Fe3O4，氧化浸出后溶液中会含有Cu2＋、Fe3＋，所以调溶液pH至6左右，滤渣中会有Fe（OH）3、Cu（OH）2。（3）根据元素守恒可知除有MoS3沉淀生成外，还有H2S气体生成，离子方程式为MoSeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H＋=MoS3↓＋H2S↑。（4）RCl为阴离子交换树脂，所以离子交换时Cl－与ReOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))进行交换，解吸后交换树脂中有RClO4，所以加入HCl溶液再生处理后可循环使用。（5）高铼酸钾在水中的溶解度随温度变化较大，所以可以采用重结晶进行提纯；根据题意可知800℃时KReO4会被氢气还原为Re，根据得失电子守恒、元素守恒可得化学方程式为2KReO4＋7H2eq\o(=,\s\up7(800℃),\s\do5())2Re＋6H2O＋2KOH。6．答案：（1）CaSO4、炭粉2∶1使Fe3＋转化为Fe（OH）3沉淀而除去（2）Mn3＋、MnOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))（3）2Al3＋＋3S2－＋6H2O=2Al（OH）3↓＋3H2S↑（4）取反应后的滤液少许于试管中，滴入Na2S2O8溶液，若溶液不变紫红色，证明Mn2＋沉淀完全；若溶液变紫红色，证明Mn2＋未沉淀