化工流程与实验基础

1化工流程与实验基础题组一化工流程与化学反应原理1．辉铜矿主要成分Cu2S，软锰矿主要成分MnO2，它们都含有少量SiO2、Fe2O3等杂质。工业上综合利用这两种矿物质制备硫酸锰和碱式碳酸铜的主要工艺流程如下：已知：①MnO2能将金属硫化物中的硫氧化为单质硫；②[Cu(NH3)4]SO4常温稳定，在热水中会分解生成NH3；③部分金属阳离子生成氢氧化物沉淀的pH范围如下表所示(开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0mol·L－1计算)：开始沉淀的pH沉淀完全的pHFe3＋1.13.2Mn2＋8.39.8Cu2＋4.46.4(1)酸浸时，为了提高浸取率可采取的措施有__________________________________________________________________________________________________(任写一点)。(2)酸浸时，得到的浸出液中主要含有CuSO4、MnSO4等。写出该反应的化学方程式__________________________________________________。(3)调节浸出液pH的范围为________，其目的是______________________________。(4)本工艺中可循环使用的物质是_______________________________________________(写化学式)。(5)在该工艺的“加热驱氨”环节，若加热的温度过低或过高，都将造成的结果是________________________________________________________________________。(6)用标准BaCl2溶液测定样品中MnSO4·H2O质量分数时，发现样品纯度大于100%(测定过程中产生的误差可忽略)，其可能原因是_______________________________________(任写一种)。答案(1)粉碎矿石或适当升高温度或搅拌(其他合理答案也可)2(2)Cu2S＋2MnO2＋4H2SO4===2CuSO4＋2MnSO4＋S↓＋4H2O(3)3.2≤pH＜4.4使Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀而除去(4)NH3(多写CO2也可)(5)碱式碳酸铜产量减少(6)混有硫酸盐杂质或部分晶体失去结晶水2．(2013·新课标全国卷Ⅰ，27)锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C＋xLi＋＋xe－===LixC6。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)：回答下列问题：(1)LiCoO2中，Co元素的化合价为__________。(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式____________________。(3)“酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式_______________；可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是_________________。(4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式______________________。(5)充放电过程中，发生LiCoO2与Li1－xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式________________________。(6)上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是___________________。在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有________________(填化学式)。答案(1)＋3(2)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO－2＋3H2↑(3)2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2=====△Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O、2H2O2=====△2H2O＋O2↑有氯气生成，污染较大(4)CoSO4＋2NH4HCO3===CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑(5)Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋6C(6)Li＋从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进入正极材料中Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4解析(1)依据化合价代数和等于零可计算Co的化合价为＋3价。3(2)由正极“碱浸”后的物质变化流程可知，滤液中获取Al(OH)3，滤渣再经一系列变化得Li2SO4、CoSO4，可推知正极“碱浸”时只有铝被NaOH溶解。(3)“碱浸”后所得滤渣LiCoO2中Co的化合价为＋3价，而“酸浸”后生成CoSO4中Co的化合价为＋2价，显然H2O2是还原剂，氧化产物只能是O2；又H2O2具有不稳定性，受热易分解，也属于氧化还原反应。(4)“沉钴”这一步，反应物为CoSO4、NH4HCO3，生成物中有CoCO3，必然产生大量H＋，而HCO－3与H＋又不能大量共存，继续反应产生CO2。此题容易忽视HCO－3与H＋的继续反应，澄清了这些问题，再利用质量守恒定律，就能顺利写出化学方程式。(5)依据充电时正极的物质变化，可写出放电时的电极反应：Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2依据负极充电的电极反应，写出放电时电极反应：LixC6－xe－===6C＋xLi＋，以上两个电极反应相加，即得总方程式。(6)“放电处理”的一个重要目的是回收锂，Li＋要沉积在正极。解答这一问题的关键是Li＋怎样沉积在正极上。放电时，离子运动的方向是“正向正，负向负”。从流程的最终产物上很容易找到回收的金属化合物：Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4。3．软锰矿的主要成分是二氧化锰，用软锰矿浆吸收工业废气中的二氧化硫，可以制备高纯度的硫酸锰晶体，其流程如下所示：已知：浸出液中的金属阳离子主要是Mn2＋，还含有少量的Fe2＋、Al3＋等，且pH2。几种离子开始沉淀和完全沉淀时的pH如表所示：离子开始沉淀时的pH完全沉淀时的pHFe2＋7.69.7Fe3＋2.73.7Al3＋3.84.7Mn2＋8.39.8根据上述流程，回答下列问题：(1)写出二氧化锰与二氧化硫反应的化学方程式：______________________________。(2)浸出液的pH2，从上述流程看，可能的原因为_____________________________(用化学用语和必要的文字说明)。(3)用离子方程式表示加入二氧化锰的作用：__________________________________。从表中数据来看，能不能取消“加入二氧化锰”的步骤？原因是________________。下列试剂能替代二氧化锰的是__________(填序号)。A．双氧水B．氯水4C．高锰酸钾溶液D．次氯酸钠(4)有同学认为可以用碳酸锰(MnCO3)或氢氧化锰[Mn(OH)2]替代石灰乳，你是否同意此观点？简述理由：________________________________________________________________________。(5)从含硫酸锰的滤液中提取硫酸锰晶体的操作是______。利用滤渣能提取高纯度的铁红，简述其操作过程：____________________________________________________。答案(1)SO2＋MnO2===MnSO4(2)二氧化硫溶于水生成H2SO3，H2SO3部分电离：SO2＋H2OH2SO3H＋＋HSO－3(3)MnO2＋2Fe2＋＋4H＋===Mn2＋＋2Fe3＋＋2H2O不能，pH＝9.7时Fe2＋才完全沉淀，而pH＝8.3时Mn2＋已经开始沉淀A(4)同意，Fe3＋、Al3＋的水解程度比Mn2＋的大，Fe3＋＋3H2OFe(OH)3＋3H＋，Al3＋＋3H2OAl(OH)3＋3H＋，加入的碳酸锰或氢氧化锰能与H＋反应，促进铁离子、铝离子水解，进而转化为沉淀，通过过滤除去杂质(5)蒸发浓缩、降温结晶、过滤将滤渣溶于足量氢氧化钠溶液中，过滤、洗涤、烘干、灼烧解析(1)从最终产物为硫酸锰晶体来看，二氧化硫与二氧化锰反应生成硫酸锰。(2)二氧化硫溶于水生成亚硫酸，亚硫酸属于中强酸，部分电离。(3)从表中数据看，二价铁离子完全沉淀时，锰离子已部分沉淀，必须用氧化剂将二价铁离子氧化成三价铁离子。选择使用的氧化剂不能引入新杂质。(4)利用盐类水解，促进三价铁离子和铝离子完全水解。(5)滤渣的主要成分是氢氧化铁、氢氧化铝，用足量氢氧化钠溶液溶解氢氧化铝，过滤后得到氢氧化铁，灼烧后得到铁红(氧化铁)。4．从铝土矿(主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)中提取氧化铝的两种流程如下：请回答下列问题：(1)给滤液E中通入过量的NH3，其反应的离子方程式是____________________________。(2)流程Ⅱ中加入烧碱溶液后，生成SiO2－3的离子方程式是_________________________。(3)验证滤液A中含Fe3＋，可取少量滤液并加入__________________(填写试剂名称)。(4)滤液C中溶质的主要成分是________________(填化学式)，写出该溶质的一种用途________________________________________________________________________。5(5)滤液F中离子电荷守恒的关系式为________________________________________。(6)滤液C和滤液F共同的溶质为G，用惰性电极电解500mL0.1mol·L－1的G溶液，若阳极得到56mL气体(标准状况)，则所得溶液在常温下的pH为______________(忽略电解前后溶液体积的变化)。(7)已知25℃时Mg(OH)2的溶度积常数Ksp＝1.8×10－11。取适量的滤液A，加入一定量的烧碱溶液至达到沉淀溶解平衡，测得该溶液的pH＝13.00，则25℃时残留在溶液中的c(Mg2＋)＝________mol·L－1。答案(1)H＋＋NH3·H2O===NH＋4＋H2O、Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH＋4(2)SiO2＋2OH－===SiO2－3＋H2O(3)硫氰化钾(或硫氰酸钾、苯酚等)(4)NaHCO3、NaCl制纯碱(或作发酵粉、食用盐等)(5)c(NH＋4)＋c(Na＋)＋c(H＋)＝c(Cl－)＋c(OH－)(6)12(7)1.8×10－9解析(1)滤液E为NaCl、AlCl3和HCl的混合溶液，通入过量NH3，离子反应有：H＋＋NH3·H2O===NH＋4＋H2O、Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH＋4。(2)生成SiO2－3的离子反应为SiO2＋2OH－===SiO2－3＋H2O。(3)滤液A为FeCl3、MgCl2、AlCl3和HCl的混合溶液，可以利用KSCN溶液或苯酚溶液检验Fe3＋的存在。(5)滤液F为NaCl、NH4Cl和NH3·H2O的混合溶液，其中电荷守恒关系式为c(Na＋)＋c(NH＋4)＋c(H＋)＝c(Cl－)＋c(OH－)。(6)G为NaCl，根据2NaCl＋2H2O=====电解2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，阳极得到标准状况下的56mLCl2时，电解质溶液中n(OH－)＝0.056L22.4L·mol－1×2＝0.005mol，c(OH－)＝0.005mol0.5L＝0.01mol·L－1，常温下溶液的pH＝12。(7)pH＝13，则c(OH－)＝0.1mol·L－1，c(Mg2＋)＝Ksp[MgOH2]c2OH－＝1.8×10－9mol·L－1。5．利用化学原理可以对工厂排放的废水、废渣等进行有效检测与合理处理。某工厂对制革工业污泥中Cr(Ⅲ)的处理工艺如下：其中硫酸浸取液中的金属离子主要是Cr3＋，其次是Fe3＋、Al3＋、Ca2＋和Mg2＋。(1)H2O2的作用是将滤液Ⅰ中的Cr3＋转化为Cr2O2－7，写出此反应的