高考化学总复习 第三章 金属及其化合物课时4无机化学工艺流程练习 新人教版.docx

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高考化学总复习第三章金属及其化合物课时4无机化学工艺流程练习新人教版

2019年高考化学总复习第三章金属及其化合物（课时4）无机化学工艺流程练习新人教版

[课时诠释]

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，是近几年高考化学命题的常考题型，如2016全国卷Ⅲ28题，2016北京理综27等。

附思维主线：

此类题目多以金属矿物加工为载体，综合考查无机元素化合物、化学原理和实验，由于难度大，综合性强，也可放到一轮结束以后作为能力专题使用！

微点聚焦一　以物质制备为目的的工艺流程

[典题示例]

【示例1】

题

头

挖掘题头信息

（2015·课标全国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）

题

干

分析题干流程

题

尾

知道题尾考查哪些问题

（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_______________________________________________。

[标准答案]　

（1）Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋2H3BO3（3分）　提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径（2分）　

（2）Fe3O4（1分）　SiO2和CaSO4（1分）　（3）将Fe2＋氧化为Fe3＋（1分）　使Al3＋和Fe3＋形成氢氧化物沉淀而除去（1分）　（4）（七水）硫酸镁（1分）

（5）

（1分）

（6）2H3BO3B2O3＋3H2O、B2O3＋3Mg2B＋3MgO（3分）

[评分细则]　

（1）不配平不得分，漏写条件扣1分

（2）简答每条1分，其他合理答案也给分

（3）写名称不给分，多写此空判0分

（4）写化学式不给分，出现白字不给分

（5）漏写离子符号不给分

（6）不配平不得分，漏写条件扣1分

【解法指导】

1．制备过程中原料预处理的5种常用方法

看方法

想目的

研磨

减小固体的颗粒度，增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率

水浸

与水接触反应或溶解

酸浸

与酸接触反应或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去

灼烧

除去可燃性杂质或使原料初步转化，如从海带中提取碘时的灼烧就是为了除去可燃性杂质

煅烧

改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质在高温下氧化、分解，如煅烧高岭土

2.制备过程中控制反应条件的6种方法

看方法

想目的

调节溶液的pH

常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀

控制温度

根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动

控制压强

改变速率，影响平衡

使用合适

的催化剂

改变反应速率，控制达到平衡所需要的时间

趁热过滤

防止某物质降温时析出

冰水洗涤

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

[注意]　调节pH所需的物质一般应满足两点：

①能与H＋反应，使溶液pH变大；

②不引入新杂质。

例如若要除去Cu2＋中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3等物质来调节溶液的pH，不可加入NaOH溶液、氨水等。

[体验感悟]

1．（2013·全国新课标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）。

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。

（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与H＋又不能大量共存，继续反应产生CO2。

此题容易忽视HCO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＋要沉积正极。

解答这一问题的关键是Li＋怎样沉积在正极上的。

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。

答案　

（1）＋3

（2）2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑（或2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al（OH）4]－＋3H2↑）

（3）2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O,2H2O22H2O＋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

2．（2016·四川理综，11节选）资源的高效利用对保护环境、促进经济持续健康发展具有重要作用。

磷尾矿主要含Ca5（PO4）3F和CaCO3·MgCO3。

某研究小组提出了磷尾矿综合利用的研究方案，制备具有重要工业用途的CaCO3、Mg（OH）2、P4和H2，其简化流程如下：

已知：

①Ca5（PO4）3F在950℃不分解；

②4Ca5（PO4）3F＋18SiO2＋30C2CaF2＋30CO＋18CaSiO3＋3P4。

请回答下列问题：

（1）950℃煅烧磷尾矿生成气体的主要成分是________。

（2）实验室过滤所需的玻璃仪器是________。

（3）NH4NO3溶液能从磷矿Ⅰ中浸取出Ca2＋的原因是

_________________________________________________________。

（4）在浸取液Ⅱ中通入NH3，发生反应的化学方程式是

____________________________________________________________。

解析　

（1）磷尾矿中除Ca5（PO4）3F外还有CaCO3·MgCO3，950℃时Ca5（PO4）3F不分解，CaCO3·MgCO3分解生成CaO、MgO和CO2。

（2）过滤需要的玻璃仪器有烧杯、漏斗和玻璃棒。

（3）NH4NO3溶液因NH水解使溶液呈酸性，溶解CaO、Ca（OH）2，使之转化为Ca2＋。

（4）由图可知浸取液中通NH3将Mg2＋转化为Mg（OH）2沉淀。

答案　

（1）CO2　

（2）烧杯、漏斗、玻璃棒

（3）NH水解使溶液呈酸性，与CaO、Ca（OH）2反应生成Ca2＋

（4）MgSO4＋2NH3＋2H2O===Mg（OH）2↓＋（NH4）2SO4

【解题策略】

化工流程题中表述性词汇“八大答题方向”

化工生产流程和综合实验题中经常会出现一些表述性词语中，这些表述性词语就是隐性信息，它可以暗示我们所应考虑的答题角度。

常见的有：

（1）“控制较低温度”——常考虑物质的挥发、物质的不稳定性和物质的转化等。

（2）“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、产率等。

（3）“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或是否影响产品的纯度。

（4）“在空气中或在其他气体中”——主要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或达到防氧化、防水解、防潮解等目的。

（5）“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试管中，向其中滴加某试剂，以检验其中的某种离子。

（6）“检验某物质的设计方案”——通常取少量某液体于试管中，加入另一试剂产生某现象，然后得出结论。

（7）“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。

（8）“用某些有机试剂清洗”——常考虑降低物质溶解度有利于析出、减少损耗和提高利用率等。

微点聚焦二　以分离提纯为目的的工艺流程

[典题示例]

【示例2】从废钒催化剂（主要成分V2O5、VOSO4、K2SO4、SiO2等）中回收V2O5的一种生产工艺流程示意图如下，请回答下列问题：

（1）步骤①中废渣的主要成分是________，③中X试剂为________。

（2）实验室中进行萃取分液操作时，注入萃取剂，充分振荡，将分液漏斗于铁圈上静置，当液体分层后，接下来的操作是________________________________________________________________________。

（3）②③的变化过程可简化为（下式R表示VO2＋，HA表示有机萃取剂）R2（SO4）n（水层）＋2nHA（有机层）2RAn（有机层）＋nH2SO4（水层）

为提高②中萃取百分率，应采取的措施是________________________________________________________________________。

（4）请完成④中的反应离子方程式：

ClO＋VO2＋＋H＋===VO3＋＋________＋________。

（5）25℃时，取样进行实验分析，得到钒沉淀率和溶液pH之间关系如下表：

pH

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

钒沉

淀率%

88.1

94.8

96.5

98.0

98.8

98.8

96.4

93.1

89.3

结合上表，在实际生产中，⑤中加入氨水，调节溶液的最佳pH为________。

（6）该工艺流程中，可以循环利用的物质有________。

思维提示　

标准答案　

（1）SiO2　H2SO4　

（2）打开分液漏斗上口塞子（或将分液漏斗上口塞子凹槽对准漏斗口颈上小孔）；先打开活塞放出下层液体，后将上层液体从分液漏斗上口倒入另一烧杯中　（3）加入碱中和硫酸使平衡正移或多次连续萃取　（4）1　6　6　6　1　Cl－　3　H2O　（5）1.7～1.8　（6）氨气、有机萃取剂

【解题方法】

1．把握物质提纯的“6种”常用方法

看目的

选方法

除去可溶性杂质

水溶法

除去碱性杂质

酸溶法

除去酸性杂质

碱溶法

除去还原性或氧化性杂质

氧化还原法

除去受热易分解或易挥发的杂质

加热灼烧法

除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等

调pH法

2.正确选择物质分离的“6种”常用方法

看目的

选方法

分离难溶物质和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法

过滤

（热滤或抽滤）

利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提纯分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴

萃取和分液

提纯溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl

蒸发结晶

提纯溶解度随温度变化较大的溶质，易水解的溶质或结晶水合物。

如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等

冷却结晶

分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油

蒸馏与分馏

利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气

冷却法

[体验感悟]

1．（2016·北京理综，27）以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等）和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。

其工作流程如下：

（1）过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是_____________________________________________________。

（2）过程Ⅰ中，Fe2＋催化过程可表示为：

ⅰ：

2Fe2＋＋PbO2＋4H＋＋SO===2Fe3＋＋PbSO4＋2H2O

ⅱ：

……

①写出ⅱ的离子方程式：

_______________________________________。

②下列实验方案可证实上述催化过程。

将实验方案补充完整。

a．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。

b．_____________________________________________。

（3）PbO溶解在NaOH溶液中，存在平衡：

PbO（s）＋NaOH（aq）NaHPbO2（aq），其溶解度曲线如图所示。

①过程Ⅱ的目的是脱硫。

滤液1经处理后可在过程Ⅱ中重复使用，其目的是________（选填序号）。

A．减少PbO的损失，提高产品的产率

B．重复利用NaOH，提高原料的利用率

C．增加Na2SO4浓度，提高脱硫效率

②过程Ⅲ的目的是提纯。

结合上述溶解度曲线，简述过程Ⅲ的操作：

______________________________________________________。

解析　

（1）由题意可知，过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb、PbO2和H2SO4反应生成PbSO4和H2O，Pb与PbO2在酸性条件下发生氧化还原反应，Pb为还原剂，PbO2为氧化剂，PbSO4既是氧化产物又是还原产物，化学方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。

（2）①催化剂在反应前后本身的质量和化学性质保持不变，但参加反应，反应特点是先消耗再生成，且消耗与生成的量相等。

Fe2＋为该反应的催化剂，又知反应ⅰ中Fe2＋被PbO2氧化为Fe3＋，则在反应ⅱ中Fe3＋与Pb反应生成Fe2＋，离子方程式为2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋；②a实验证明发生反应ⅰ生成Fe3＋，则b实验需证明发生反应ⅱ，Fe3＋转化为Fe2＋，实验方案为取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，充分反应，红色褪去。

（3）①过程Ⅱ的目的是脱硫。

化学方程式为PbSO4＋2NaOH===PbO＋Na2SO4＋H2O；滤液1中含有未反应的NaOH和少量溶解的PbO，经处理后可重复利用减少PbO的损失，同时能提高NaOH的利用率。

②利用PbO不同温度下在不同氢氧化钠溶液中的溶解度曲线，可向PbO粗品中加入35%的NaOH溶液，加热至高温（110℃），充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤可得PbO固体。

答案　

（1）Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O

（2）①2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋　②取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，红色褪去

（3）①AB　②向PbO粗品加入一定量的35%NaOH溶液，加热至110℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤得到PbO固体

2.（2016·课标全国Ⅲ，28）以硅藻土为载体的五氧化二钒（V2O5）是接触法生产硫酸的催化剂。

从废矾催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。

废钒催化剂的主要成分为：

物质

V2O5

V2O4

K2SO4

SiO2

Fe2O3

Al2O3

质量分数/%

2.2～2.9

2.8～3.1

22～28

60～65

1～2

<1

以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：

回答下列问题：

（1）“酸浸”时V2O5转化为VO，反应的离子方程式为________________________________________，同时V2O4转化成VO2＋。

“废渣1”的主要成分是________。

（2）“氧化”中欲使3mol的VO2＋变为VO，则需要氧化剂KClO3至少为________mol。

（3）“中和”作用之一是使钒以V4O形式存在于溶液中。

“废渣2”中含有________。

（4）“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：

4ROH＋V4OR4V4O12＋4OH－（ROH为强碱性阴离子交换树脂）。

为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈________性（填“酸”、“碱”或“中”）。

（5）“流出液”中阳离子最多的是________。

（6）“沉钒”得到偏钒酸铵（NH4VO3）沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式___________________________________。

解析　

（1）“酸浸”时V2O5转化为VO，前后V元素化合价不变，说明没有发生氧化还原反应，则反应的离子方程式为V2O5＋2H＋===2VO＋H2O。

由于SiO2与H2SO4不反应，故滤渣1的主要成分为SiO2。

（2）VO2＋变为VO，V的化合价由＋4价升高到＋5价，转移1e－，而氧化剂KClO3则被还原为KCl，化合价由＋5价降低为－1价，转移6e－，故欲使3molVO2＋变为VO，需氧化剂KClO3的物质的量至少为3mol×1÷6＝0.5mol。

（3）酸浸并用KClO3氧化后的溶液中含有的Fe3＋、Al3＋在中和时生成Fe（OH）3、Al（OH）3沉淀，所以“废渣2”中含有Fe（OH）3、Al（OH）3。

（4）由题意知逆反应是洗脱，在碱性环境中有利于向洗脱方向进行，故淋洗液应呈碱性。

（5）由于前面加入了KClO3、KOH，所以流出液中阳离子最多的是K＋。

（6）根据原子守恒可知偏钒酸铵“煅烧”生成五氧化二钒、氨气和水蒸气，发生反应的化学方程式为2NH4VO3V2O5＋H2O↑＋2NH3↑。

答案　

（1）V2O5＋2H＋===2VO＋H2O　SiO2　

（2）0.5

（3）Fe（OH）3、Al（OH）3　（4）碱　（5）K＋

（6）2NH4VO3V2O5＋H2O↑＋2NH3↑

【解题程序】

1．读流程图

（1）箭头：

箭头进入的是投料（反应物）、出去的是主产物或副产物（生成物）。

（2）三线：

出线和进线均表示物料流向或操作流程，可逆线表示物质循环。

2．解题要点

（1）审题要点：

①了解生产目的、原料及产品，②了解题目提供的信息，③分析各步的反应条件、原理及物质成分，④理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。

（2）答题切入点：

①原料及产品的分离提纯，②生产目的及反应原理，③生产要求及反应条件，④有关产率、产量及组成的计算，⑤绿色化学。

1．某一化工厂以废铁屑为原料制备FeCl3溶液，用作印刷电路铜板腐蚀剂，并对溶液B进行电解处理的实验流程如图：

（1）试剂a应选用________（填写名称）；

（2）步骤Ⅰ用到的主要玻璃仪器有漏斗、________（填写仪器名称）；

（3）写出步骤Ⅱ中主要反应的化学方程式________________________________；

（4）实验室制取气体E的离子方程式是________________________，欲对气体E进行干燥和吸收，需选用下列装置中的________（填写序号）；

（5）如何用化学方法检验气体E？

________________________________

__________________________________________________________。

解析　分析流程中的物质及其化学反应，废铁屑加入热碱液是除去铁屑表面的油污，将Fe反应生成Fe2＋的试剂只能选用HCl，才能由A经Cl2氧化后成FeCl3，若换成H2SO4、HNO3等其他酸，则引入SO、NO等杂质，过滤需用的玻璃仪器有：

漏斗、烧杯、玻璃棒；2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2，则B中含有FeCl2、CuCl2、FeCl3等溶质，将其电解时，根据阳离子放电顺序先析出Cu，阳极生成Cl2，但是由于氧化性Fe3＋>Cu2＋，则Fe3＋一定放电成Fe2＋后才有Cu单质析出；Cl2的实验室制法为MnO2与浓盐酸反应，则Cl2中混有HCl、H2O等杂质，干燥Cl2用②，吸收Cl2用④；Cl2的检验方法是用湿润的淀粉－KI试纸。

答案　

（1）稀盐酸　

（2）烧杯、玻璃棒

（3）2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2

（4）MnO2＋4H＋＋2Cl－△Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O　②④

（5）将湿润的KI－淀粉试纸靠近集气瓶口，试纸变蓝，证明该气体为Cl2

2．（2016·金考卷）镍电池广泛应用于混合动力汽车系统，电极材料由Ni（OH）2、碳粉和氧化铁等涂在铝箔上制成。

由于电池使用后电极材料对环境有危害，某兴趣小组对该电池电极材料进行回收研究，设计实验流程如下：

已知：

a.NiCl2易溶于水，Fe3＋不能氧化Ni2＋。

b．某温度下一些金属氢氧化物的Ksp及开始沉淀和完全沉淀时的理论pH如表所示：

M（OH）n

Ksp

pH

开始沉淀

沉淀完全

Al（OH）3

1.9×10－33

3.43

4.19

Fe（OH）3

3.9×10－38

2.53

2.94

Ni（OH）