2024年高考化学一轮复习热点专项练14化工流程中生产条件的控制及Ksp的应用

热点专项练14化工流程中生产条件的控制及K sp的应用
1.锌是一种重要的金属,在电镀电池等工业上具有广泛的应用。

以废锌催化剂(主要成分为ZnO及少量Fe2O3、CuO、MnO2)为原料制备锌的工艺流程如下。

已知:①“浸取”后溶液中的阳离子主要是[Zn(NH3)4]2+、[Cu(NH3)4]2+。

②25 ℃时K sp(ZnS)=1.6×10-24;深度除杂标准:溶液中c(杂质离子)
c{[Zn(NH3)4]2+}
≤2.0×10-6。

回答下列问题:
(1)滤渣①的主要成分是(填化学式);“浸取”时,ZnO发生反应的离子方程式
为。

(2)加入过量氨水的作用之一是使ZnO、CuO溶解,另一个作用
是;
“萃取”时需要进行多次萃取且合并萃取液,其目的是。

(3)“深度除铜”时涉及的部分反应为:
[Cu(NH3)4]2++4H2O Cu2++4NH3·H2O K1=a
[Cu(NH3)4]2++S2-+4H2O CuS↓+4NH3·H2O K2=b
(NH4)2S的加入量[m(实际用量)
m(理论用量)×100%]对锌的回收率及铜锌比[c(Cu
2+)
c{[Zn(NH3)4]2+}
]的影响如图所
示。

①当(NH4)2S加入量超过100%时,锌的回收率下降的可能原因
是
(用离子方程式表示)。

②(NH4)2S较为合理的加入量约为120%,理由是。

③室温下,向“浸取”液中加入一定量(NH4)2S固体,“深度除铜”后,测得溶液中c(Cu2+)为
1.0×10-8 mol·L-1,此时溶液中c(S2-)为 mol·L-1(用含a、b的代数式表示,忽略S2-的水解)。

(4)用惰性电极“电解”时,阴极存在竞争反应,该竞争反应的电极反应式
为。

2.锑(Sb)是第五周期、第ⅤA族元素,三氧化二锑是一种两性氧化物,俗称锑白,不溶于水,可用作白色颜料、油漆和塑料阻燃剂。

以脆硫铅锑矿(主要成分为Pb4FeSb6S14)为原料制备锑白的工艺流程如图所示。

已知常温下,溶液中金属阳离子开始沉淀、完全沉淀的pH如表所示:
回答下列问题:
(1)Pb4FeSb6S14中各元素的化合价均为整数,已知铅元素为+2价,则铁元素的化合价
为;X的成分是。

(2)氧化过程中,反应后锑为最高价态,则参加反应的n(Pb4FeSb6S14)∶
n(Cl2)=;还原过程中发生多个反应,其中之一是Fe3+被还原为Fe2+,将Fe3+还原为Fe2+的目的是。

(3)常温下,Fe(OH)2的K sp为(当溶液中某离子浓度c≤1×10-5 mol·L-1时,可认为该离子沉淀完全)。

(4)水解过程中加入热水的原因是;写出生成
Sb(OH)2Cl的离子方程式:。

(5)写出加入氨水后SbOCl发生反应的化学方程式:。

3.以镁铝复合氧化物(MgO-Al2O3)为载体的负载型镍铜双金属催化剂(Ni-Cu/MgO-Al2O3)是一种新型高效加氢或脱氢催化剂,其制备流程如下:
MgSO4溶液Al2(SO4)3溶液NiSO4溶液CuSO4溶液悬浊液滤饼
产品
已知:常温下,K sp[Cu(OH)2]=2.21×10-20,K sp[Al(OH)3]=1.30×10-33。

回答下列问题:
(1)在加热条件下,尿素[CO(NH2)2]在水中发生水解反应,放出和
两种气体。

(写化学式)
(2)“晶化”过程中,需保持恒温60 ℃,可采用的加热方式为。

(3)“洗涤”过程中,检验滤饼是否洗净的方法是。

(4)常温下,若“悬浊液”中c (Cu 2+)
c (Al 3+)=1.7×109,则溶液的pH= 。

(5)“还原”过程中所发生反应的化学方程式为 。

(6)NiSO 4在强碱溶液中被NaClO 氧化可得NiOOH,该物质能用作碱性镍镉电池的正极材料。

其电池总反应为
Cd(s)+2NiOOH(s)+2H 2O(l)Cd(OH)2(s)+2Ni(OH)2(s)。

①放电一段时间后,溶液的pH 将 (填“增大”“减小”或“不变”)。

②充电时,阳极发生的电极反应为 。

参考答案
热点专项练14 化工流程中生产
条件的控制及K sp 的应用
1.答案 (1)Fe 2O 3、MnO 2 2NH 3·H 2O+2N H 4++ZnO [Zn(NH 3)4]2++3H 2O
(2)使部分NH 4HCO 3转化为(NH 4)2CO 3,增大NH 3·H 2O 和N H 4+浓度,有利于锌以[Zn(NH 3)4]2+的形
式浸出 收集尽可能多的Zn 2+,提高Zn 2+的萃取率
(3)①[Zn(NH 3)4]2++S 2-+4H 2O
ZnS ↓+4NH 3·H 2O ②锌的回收率高,铜锌比较低,且高于120%时铜锌比变化较缓慢 ③a b ×108 (4)2H ++2e -H 2↑
解析 由已知①可知,废锌催化剂(主要成分为ZnO 及少量Fe 2O 3、CuO 、MnO 2)中的ZnO 及少量CuO 经碳酸氢铵和过量氨水浸取后转化为可溶性的[Zn(NH 3)4]2+、
[Cu(NH 3)4]2+,则Fe 2O 3、MnO 2未被溶解,即滤渣①的主要成分为Fe 2O 3、MnO 2;向浸取液中加入适量的(NH 4)2S 进行深度除铜——[Cu(NH 3)4]2+转化为CuS 沉淀,则滤渣②的主要成分为CuS;向滤液中加有机萃取剂,萃取溶液中的Zn 2+,分液得到含Zn 2+的有机相,再向有机相中加硫酸反萃取Zn 2+,分液得到硫酸锌,电解得到Zn 。

(1)由已知①可知,废锌催化剂中只有ZnO 和CuO 与NH 4HCO 3和NH 3·H 2O 反应生成可溶的
[Zn(NH 3)4]2+和[Cu(NH 3)4]2+,则滤渣①的主要成分为Fe 2O 3、MnO 2;ZnO 与NH 4HCO 3和NH 3·H 2O
反应可生成[Zn(NH 3)4]2+,其离子方程式为2NH 3·H 2O+2N H 4++ZnO [Zn(NH 3)4]2++3H 2O 。

(2)氨水能与碳酸氢铵反应生成碳酸铵,即NH 3·H 2O+NH 4HCO 3
(NH 4)2CO 3+H 2O,增大NH 3·H 2O 和N H 4+浓度,有利于锌以[Zn(NH 3)4]2+的形式浸出;“萃取”时需要进行多次萃取且合并萃取液的目
的是,收集尽可能多的Zn 2+,提高Zn 2+的萃取率。

(3)①过量的(NH 4)2S 能与[Zn(NH 3)4]2+反应生成难溶的ZnS,则其离子方程式为[Zn(NH 3)4]2++S 2-+4H 2O ZnS ↓+4NH 3·H 2O 。

②由图示分析可知(NH 4)2S 较为合理的加入量约为120%,此时锌的回收率约为99.60%,铜锌比较低,且高于120%时铜锌比变化较缓慢。

③由反应[Cu(NH 3)4]2++4H 2O 4NH 3·H 2O+Cu 2+ K 1=a ,[Cu(NH 3)4]2++S 2-+4H 2O
CuS ↓+4NH 3·H 2O K 2=b 可得CuS(s)Cu 2+(aq)+S 2-(aq) K 3=a b ,则K 3=c (Cu 2+)·c (S 2-)=a b ,由于
c (Cu 2+)为1.0×10-8 mol ·L -1,则c (S 2-)=a c (Cu 2+)·b =a b ×108 mol ·L -1。

(4)用惰性电极电解含硫酸的硫酸锌溶液时,溶液中的氢离子在阴极也会发生还原反应,即2H ++2e -H 2↑。

2.答案 (1)+2价 S (2)2∶41 避免Fe 3+与Sb 3+一起形成沉淀 (3)1×10-15 (4)稀释、加热均可促进Sb 3+的水解 Sb 3++2H 2O+Cl -
Sb(OH)2Cl ↓+2H + (5)2SbOCl+2NH 3·H 2O Sb 2O 3+2NH 4Cl+H 2O
解析 以脆硫铅锑矿粉(主要成分为Pb 4FeSb 6S 14)为原料,加入水,通入氯气氧化得到浸出液和含硫、PbCl 2的滤渣,浸出液的溶质主要是SbCl 5、FeCl 3;再加锑粉发生还原反应将Sb 5+还原为Sb 3+,同时将Fe 3+还原为Fe 2+,避免Fe 3+与Sb 3+一起沉淀,然后加入热水水解,并过滤得到FeCl 2等溶液和含锑沉淀,然后向含锑沉淀中加入氨水,过滤后再经过洗涤、干燥得到锑白。

(1)锑是第ⅤA 族元素,其主要化合价为+3价、+5价,硫元素为-2价,铅元素为+2价,由化合物中各元素化合价代数和等于0,且该物质中各元素的化合价均为整数,可求出铁为+2价,锑为+3价;根据流程图中各操作过程中涉及物质可知X 是单质硫。

(2)氧化过程中,1 mol Cl 2可得到2 mol 电子,矿粉中Fe 2+转化为Fe 3+、Sb 3+转化为Sb 5+、S 2-转化为S,则1 mol Pb 4FeSb 6S 14失去的电子为(1×1+6×2+14×2) mol=41 mol,由得失电子守恒得n (Pb 4FeSb 6S 14)∶n (Cl 2)=2∶41;由表中各离子开始沉淀时和完全沉淀时的pH 可知,Sb 3+完全沉淀时,Fe 3+也有部分沉淀,但Fe 2+尚未开始形成沉淀,故将Fe 3+还原为Fe 2+的目的是避免Fe 3+与Sb 3+一起形成沉淀。

(3)当溶液中c (Fe 2+)=1×10-5 mol ·L -1时,可认为Fe 2+沉淀完全,此时溶液的pH=9.0,c (OH -)=1×10-5 mol ·L -1,K sp [Fe(OH)2]=c (Fe 2+)·c 2(OH -)=1×10-5×(1×10-5)2=1×10-15。

(4)Sb 3+通过水解得到相应的沉淀,稀释、加热均可促进水解;生成Sb(OH)2Cl 的离子方程式为Sb 3++2H 2O+Cl -Sb(OH)2Cl ↓+2H +。

(5)由流程图中信息可知,SbOCl 与氨水反应的产物之一是Sb 2O 3,则发生反应的化学方程式为2SbOCl+2NH 3·H 2O
Sb 2O 3+2NH 4Cl+H 2O 。

3.答案 (1)NH 3 CO 2 (2)水浴加热 (3)取少量最后一次洗涤液放入试管,向试管中加入足量稀盐酸,再加入氯化钡溶液,若有白色沉淀则未洗净,若无沉淀则已洗净 (4)10 (5)NiO+H 2Ni+H 2O 、CuO+H 2Cu+H 2O (6)①增大 ②Ni(OH)2+OH --e -NiOOH+H 2O
解析 将MgSO 4、Al 2(SO 4)3、NiSO 4、CuSO 4混合溶液在90 ℃下加入尿素发生反应生成Mg(OH)2、Al(OH)3、Ni(OH)2、Cu(OH)2悬浊液,在60 ℃晶化过滤,得到滤饼,洗涤、干燥,焙烧得到MgO 、CuO 、NiO 、Al 2O 3,在550 ℃温度下用氢气还原得到产品。

(1)根据题意,尿素[CO(NH 2)2]在加热条件下与水发生水解反应即CO(NH 2)2+H 2O
CO 2↑+2NH 3↑,因此放出NH 3和CO 2两种气体。

(2)“晶化”过程中,需保持恒温60 ℃,温度在100 ℃以下,因此采用的加热方式为水浴加热。

(3)“洗涤”过程中,检验滤饼是否洗净,主要检验洗涤液中是否还含有S O 42-,因此常用的方法是取少
量最后一次洗涤液放入试管,向试管中加入足量稀盐酸,再加入氯化钡溶液,若有白色沉淀则未洗净,若无沉淀则已洗净。

(4)常温下,若“悬浊液”中
c (Cu 2+)c (Al 3+)=c (Cu 2+)·c 3(OH -)c (Al 3+)·c 3(OH -)=K sp [Cu (OH )2]·c (OH -)K sp [Al (OH )3]=2.21×10-20·c (OH -)1.30×10-33=1.7×109,则c (OH -)=1×10-4 mol ·L -1,c (H +)=K W c (OH -)=1×10-14
1.0×10-4 mol ·L -1=1×10-10 mol ·L -1,则溶液的pH=10。

(5)“还原”过程最终得到Ni-Cu/MgO-Al2O3,说明是NiO、CuO与氢气发生反应,因此所发生反应的化学方程式为NiO+H2Ni+H2O、CuO+H2Cu+H2O。

(6)①放电时,负极反应为Cd-2e-+2OH-Cd(OH)2,正极反应为2NiOOH+2e-+2H2O
2Ni(OH)2+2OH-,正极生成的OH-的物质的量与负极消耗的OH-的物质的量相等,但是放电过程消耗了电解质溶液中的水,使碱性增强,因此溶液的pH将增大。

②放电时正极反应:NiOOH+e-+H2O Ni(OH)2+OH-,则充电时,阳极发生的电极反应为
Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。