（课标通用）山东省2020版高考化学总复习 专题三 专项突破（一）金属及其化合物在化工流程中的转化课

专项突破（一）金属及其化合物在化工流程中的转化化学工艺流程题是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来,并根据生产流程中有关的化学知识步步设问,是无机框图题的创新。它以现代工业生产为基础,与化工生产成本、产品提纯、环境保护等相融合,考查物质的制备、检验、分离、提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用,要求考生依据流程图分析原理,紧扣信息、抓住关键、准确答题。这类试题具有较强的实用性和综合性,是近几年高考化学试题的常考题型。类型一以物质制备为目的的化学工艺流程1.工艺流程图 2.原料处理阶段的常见考查点(1)加快反应速率的方法。(2)溶解:酸浸(用硫酸、盐酸等)和碱浸(NaOH溶液等)。(3)灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些物质在高温下被氧化或分解。3.分离提纯阶段的常见考查点(1)调pH除杂①控制溶液的酸碱性使其中的某些金属离子形成氢氧化物沉淀。如除去含Al3+、Mn2+溶液中混有的Fe2+,先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调节溶液的pH。②调节pH所需的物质一般应满足两点:一是能与H+反应,使溶液pH增大;二是不引入新杂质。例如,若要除去含Cu2+溶液中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。(2)加热:加快反应速率或促进平衡向某个方向移动。如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质,则要注意对温度的控制。如NaHCO3、H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、浓HNO3等物质。(3)降温:防止某物质在高温时分解或使化学平衡向题目要求的方向移动。4.获得产品阶段的常见考查点(1)洗涤(冰水、热水或乙醇):洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。(2)蒸发时在某气体氛围中进行以抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以抑制Fe3+、Al3+、Mg2+等的水解。(3)蒸发浓缩、冷却结晶:如NaCl和KNO3混合溶液,若将混合溶液加热蒸发后再降温结晶,则析出的固体主要是KNO3,这样就可分离出大部分KNO3。(4)蒸发结晶:如NaCl和KNO3混合溶液,若将混合溶液蒸发至析出固体,析出的固体主要是NaCl。典例1(2017课标Ⅲ,27,15分)重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示: 回答下列问题:(1)步骤①的主要反应为:FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3 Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为。该步骤不能使用陶瓷容器,原因是。(2)滤渣1中含量最多的金属元素是,滤渣2的主要成分是及含硅杂质。(3)步骤④调滤液2的pH使之变(填“大”或“小”),原因是(用离子方程式表示)。(4)有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到(填标号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。 a.80℃b.60℃c.40℃d.10℃步骤⑤的反应类型是。(5)某工厂用m1kg铬铁矿粉(含Cr2O340%)制备K2Cr2O7,最终得到产品m2kg,产率为。[解题流程] 答案(1)2∶7陶瓷在高温下会与Na2CO3反应(2)FeAl(OH)3(3)小2Cr +2H+ Cr2 +H2O(4)d复分解反应(5) ×100%24O27O21190147mm解析本题以K2Cr2O7的制备为载体,考查氧化还原反应原理、平衡移动原理等。由题中所给反应可知滤渣1为Fe2O3,滤液1中含有Al3+、Si ,调节pH=7,则滤渣2中含Al(OH)3及含硅杂质,滤液2中含有Cr 、Na+,此时调节pH促使平衡2Cr +2H+ Cr2 +H2O正向移动,再加入KCl得到K2Cr2O7。(1)利用得失电子守恒方法配平:2FeO·Cr2O3+4Na2CO3+7NaNO3 4Na2CrO4+Fe2O3+4CO2↑+7NaNO2,则FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为2∶7。陶瓷中含有SiO2,在高温下能与Na2CO3反应,会损坏仪器。23O24O24O27O(2)由步骤①可知熔块中含有NaNO2、Na2CrO4、Fe2O3等,故滤渣1中含量最多的金属元素为Fe,而步骤③需除去Al3+及含硅物质,故滤渣2中应主要含Al(OH)3及含硅杂质。(3)步骤④调pH的目的是促进Cr 转化为Cr2 ,根据2Cr +2H+ Cr2 +H2O,可知应增大c(H+),故pH要变小。(4)根据溶解度曲线图可知,选择K2Cr2O7溶解度小于溶液中其他溶质溶解度且溶解度最小的温度区,故选d。反应为2K++Cr2  K2Cr2O7↓,此反应为复分解反应。24O27O24O27O27O(5)根据Cr原子守恒建立关系式:Cr2O3~K2Cr2O7152294m1·40%kgm(K2Cr2O7)m(K2Cr2O7)= kg故产率为 ×100%= ×100%。129440%152m2129440%152mkgmkg21190147mm1.(2017课标Ⅰ,27,14分)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料,可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备。工艺流程如下: 回答下列问题:(1)“酸浸”实验中,铁的浸出率结果如下图所示。由图可知,当铁的浸出率为70%时,所采用的实验条件为。 (2)“酸浸”后,钛主要以TiOC 形式存在,写出相应反应的离子方程式。24l(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示:温度/℃3035404550TiO2·xH2O转化率/%9295979388分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因。(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4,其中过氧键的数目为。(5)若“滤液②”中c(Mg2+)=0.02mol·L-1,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍),使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1,此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?(列式计算)。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10-22、1.0×10-24。(6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式。答案(1)100℃、2h,90℃、5h(2)FeTiO3+4H++4Cl- Fe2++TiOC +2H2O(3)低于40℃,TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加;超过40℃,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降(4)4(5)Fe3+恰好沉淀完全时,c(P )= mol·L-1=1.3×10-17mol·L-1,c3(Mg2+)·c2(P )值为0.013×(1.3×10-17)2=1.7×10-40Ksp[Mg3(PO4)2],因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀24l34O2251.3101.01034O(6)2FePO4+Li2CO3+H2C2O4 2LiFePO4+3CO2↑+H2O↑解析本题为化学工艺流程题,考查了实验条件的选择,离子方程式、化学方程式的书写,沉淀溶解平衡等知识。(1)由图像可以看出,当铁的浸出率为70%时,实验条件有两个:100℃、2h,90℃、5h。(2)FeTiO3为难溶物,在书写离子方程式时不能拆写成离子形式。(4)Li2Ti5O15中,Ti的化合价为+4,Li的化合价为+1,所以正化合价的和为4×5+1×2=22。设过氧键数目为x,则x×2+(15-2x)×2=22,解得x=4。(6)FePO4中Fe显+3价,LiFePO4中Fe显+2价,FePO4作氧化剂,则H2C2O4作还原剂,高温煅烧时应生成CO2,据此可写出反应的化学方程式。2.(2018江苏单科,16,12分)以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2,少量FeS2和金属硫酸盐)为原料,生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如下: (1)焙烧过程均会产生SO2,用NaOH溶液吸收过量SO2的离子方程式为。(2)添加1%CaO和不添加CaO的矿粉焙烧,其硫去除率随温度变化曲线如图所示。 已知:多数金属硫酸盐的分解温度都高于600℃硫去除率=(1- )×100%①不添加CaO的矿粉在低于500℃焙烧时,去除的硫元素主要来源于。②700℃焙烧时,添加1%CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低,其主要原因是。(3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2,铝元素存在的形式由(填化学式)转化为(填化学式)。焙烧后矿粉中硫元素总质量焙烧前矿粉中硫元素总质量(4)“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2,理论上完全反应消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)=。答案(1)SO2+OH- HS (2)①FeS2②硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中(3)NaAlO2Al(OH)3(4)1∶163O解析本题考查化学工艺流程的分析、硫及其化合物,氧化还原反应的计算。(1)用NaOH溶液吸收过量SO2生成NaHSO3,离子方程式为OH-+SO2 HS 。(2)①FeS2在低于500℃焙烧时能与空气中的O2反应生成Fe2O3和SO2,发生的反应为4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2,故不添加CaO的矿粉在焙烧时去除的硫元素主要来源于FeS2;②700℃焙烧时,添加CaO后,硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中,使矿粉硫去除率降低。3O(3)矿粉焙烧后加NaOH溶液碱浸时,Al2O3能与NaOH溶液反应生成NaA-lO2,发生的反应为Al2O3+2NaOH 2NaAlO2+H2O,过滤后,NaAlO2在滤液中,向滤液中通入过量CO2时,发生反应NaAlO2+CO2+2H2O Al(OH)3↓+NaHCO3,所以铝元素存在的形式由NaAlO2转化为Al(OH)3。(4)分析反应前后元素化合价的变化,利用得失电子守恒知: n(FeS2)+5×2n(FeS2)= ×2n(Fe2O3),解得 = ,即理论上完全反应消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)=1∶16。2313223(FeS)(FeO)nn1163.(2015课标Ⅰ,27,14分)硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4,还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如图所示:  回答下列问题:(1)写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式。为提高浸出速率,除适当增加硫酸浓度外,还可采取的措施有(写出两条)。(2)利用的磁性,可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是。(写化学式)(3)“净化除杂”需先加H2O2溶液,作用是。然后再调节溶液的pH约为5,目的是。(4)“粗硼酸”中的主要杂质是(填名称)。(5)以硼酸为原料可制得硼氢化钠(NaBH4),它是有机合成中的重要还原剂,其电子式为。(6)单质硼可用于生产具有优良抗冲击性能的硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼,用化学方程式表示制备过程。答案(1)Mg2B2O5·H2O+2H2SO4 2H3BO3+2MgSO4提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径(2)Fe3O4SiO2和CaSO4(3)将Fe2+氧化成Fe3+使Fe3+与Al3+形成氢氧化物沉淀而除去(4)(七水)硫酸镁(5)Na+[H·· ··H]-(6)2H3BO3 B2O3+3H2O、B2O3+3Mg 2B+3MgOHHB解析(1)硫酸可与硼酸盐反应制取酸性较弱的硼酸,所以Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式为:Mg2B2O5·H2O+2H2SO4 2MgSO4+2H3BO3。为提高浸出速率,除适当增加硫酸浓度外,还可采取提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径等措施。(2)F