热点专攻15 化学工艺流程综合题
1.(2019全国Ⅰ)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为 。 (2)“滤渣1”的主要成分有 。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe,可选用的化学试剂是 。 (3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3+H2O
H+ ( H) ,Ka=5.81×10,可判断H3BO3是 酸;
+
3+
-
-10
在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是 。 (4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgC 3沉淀的离子方程式为 ,母液经加热后可返回 工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是 。 答案:(1)NH4HCO3+NH3
(NH4)2CO3
(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3 KSCN (3)一元弱 转化为H3BO3,促进析出 (4)2Mg+3C +2H2O[或2Mg+2C +H2O
2+2+
2-
Mg(OH)2·MgC 3↓+2HC
Mg(OH)2·MgC 3↓+C 2↑] 溶浸 高温焙烧
-
2-
解析:(1)由硼镁矿粉所含的元素及加入的硫酸铵溶液可知,该气体只能为氨气,碳酸氢铵与氨气反应的化学方程式为NH3+NH4HCO3
(NH4)2CO3。
(2)由流程图可知,B元素最终以H3BO3的形式存在,Mg元素经沉镁后以Mg(OH)2·MgC 3的形式存在,可分析出Fe、Al在沉镁后不会存在于母液中,因此“滤渣1”的主要成分为矿石中含有的SiO2、Fe2O3、Al2O3。可用KSCN溶液检验Fe的存在。
(3)H3BO3在水中的解离为可逆过程,且1个H3BO3分子解离出1个H,由此可知,H3BO3为一元弱酸;调节pH,增大H浓度,使H3BO3+H2O
+
+
3+
H+B(OH) 的平衡向左移动,有利于H3BO3的生成。
+
-
( )“沉镁”过程中的反应物有碳酸铵,生成物有Mg(OH)2·MgC 3,根据原子个数守恒和电荷守恒可写出该反应的离子方程式为2Mg+3C +2H2O2Mg+2CO3+H2O
2+
2-2+
2-
Mg(OH)2·MgC 3↓+2HC [或
2-
-
Mg(OH)2·MgC 3↓+C 2↑]。根据元素守恒,NH 、S 存在于母液中,即母液
中主要成分为硫酸铵,可返回“溶浸”工序循环使用。高温焙烧可使Mg(OH)2·MgC 3分解生成MgO。
2.(2019全国Ⅲ)高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备,工艺如下图所示。回答下列问题:
相关金属离子[c0(M)=0.1 mol·L]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子 开始沉淀的pH 沉淀完全的pH Mn 8.1 10.1 2+n+-1
Fe 6.3 8.3 2+Fe 1.5 2.8
3+Al 3.4 4.7 3+Mg 8.9 10.9 2+Zn 6.2 8.2 2+Ni 6.9 8.9 2+(1)“滤渣1”含有S和 ;写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式 。 (2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用
是 。 ( )“调pH”除铁和铝,溶液的pH范围应调节为 ~6.0。
( )“除杂1”的目的是除去Zn和Ni,“滤渣 ”的主要成分是 。 (5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg。若溶液酸度过高,Mg沉淀不完全,原因是 。
(6)写出“沉锰”的离子方程式 。 (7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料,其化学式为LiNixCoyMnzO2,其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。当x=y= 时,z= 答案:(1)SiO2(或不溶性硅酸盐) MnO2+MnS+2H2SO4(2)将Fe氧化为Fe
2+
3+
2+
2+
2+
2+
1
。
2MnSO4+S+2H2O
(3)4.7 (4)NiS和ZnS
(5)F与H结合形成弱电解质HF,MgF2(6)Mn+2HC (7) 1
2+-+
Mg+2F平衡向右移动
2+-
-
MnCO3↓+C 2↑+H2O
解析:本题为工艺流程图题,综合考查了陌生化学方程式和离子方程式的书写、pH调节、除杂、沉淀溶解平衡及化合价的简单计算等知识,综合性较强,难度中等。 (1)加硫酸“溶浸”过程中MnO2将MnS中的S氧化为单质硫:MnO2+MnS+2H2SO4
2MnSO4+S+2H2O。天然锰矿中含有的二氧化硅(或硅酸盐)不溶于稀硫酸,
2-
所以“滤渣1”为S和二氧化硅(或不溶性硅酸盐)。
(2)“溶浸”时杂质Fe、Al、Mg、Zn、Ni等元素也都转化为相应的硫酸盐,其中铁元素部分以Fe存在,结合金属离子沉淀时的pH范围,加MnO2是将溶液中的Fe氧化为Fe,以方便后面将其转化为沉淀除去。
(3)~(5)结合题给表格中金属离子沉淀时的pH范围可知,加氨水“调pH”主要是沉淀Fe和Al[滤渣2的主要成分为Fe(OH)3和Al(OH)3],此时需控制的pH范围为4.7~6.0。而后面加Na2S完成的“除杂1”是沉淀Zn和Ni,“滤渣 ”的主要成分为ZnS和NiS。加MnF2完成的“除杂2”是沉淀Mg,“滤渣 ”的主要成分为MgF2。若沉淀Mg时溶液酸性较强,H会与F生成弱电解质HF,使平衡MgF2(s)
Mg(aq)+2F(aq)右移,则导致Mg沉淀不完全。
2+
2+
-2+
2+
2+
+
-2+
2+
3+
3+
2+
2+
3+
(6)流程图中加NH4HCO3是为了沉淀Mn,产物为MnCO3,同时生成CO2和(NH4)2SO4、H2O。 (7)根据化合物中元素化合价的代数和为0可列式计算:(+1)+(+2)× +(+ )× +(+ )×z+(-2)×2=0,解得z= 。
3.(2019四川成都二模)NaH2PO2(次磷酸钠)易溶于水,水溶液近中性,具有强还原性,可用于化学镀银、镍、铬等。一种利用泥磷(含P4和少量CaO、Fe2O3、Al2O3、CaCl2等)为原料制备NaH2PO2·H2O的工艺流程如下:
1
1
1
已知P4与两种碱的反应主要有:
Ⅰ.2Ca(OH)2+P4+4H2OⅢ.4NaOH+P4+2H2O
2Ca(H2PO2)2+2H2↑,Ⅱ.4NaOH+P4+8H2O2Na2HPO3+2PH3↑,Ⅳ.NaH2PO2+NaOH
4NaH2PO2·H2O+2H2↑,
Na2HPO3+H2↑。
(1)已知H3PO2是一元中强酸,NaH2PO2是 (填“正盐”或“酸式盐”)。 (2)尾气中的PH3被NaClO溶液吸收可生成NaH2PO2,从吸收液中获得NaH2PO2·H2O的操作为 、 、过滤、洗涤和干燥。
(3)用NiCl2、NaH2PO2溶液化学镀Ni,同时生成H3PO4和氯化物的化学方程式为 。 ( )“反应”在温度和水量一定时,混合碱总物质的量与P4的物质的量之比[率的关系如图所示。当
碱)(
>2.6 磷)(
碱)(
]与 磷)(
NaH2PO2产 。
时,NaH2PO2的产率随
碱)(
的增大而降低的可能原因是 磷)(
(5)“滤渣2”的主要成分为 (填化学式)。
(6)“过滤2”的滤液须用Ag2SO4、Ba(OH)2及Na2S溶液除去其中Cl及Fe等,其中加入的Ag2SO4溶液不宜过量太多,其主要原因是 。 (7)在工业上,可以用惰性电极电解NaH2PO2溶液制取磷酸,请写出其阳极反应式: 。 答案:(1)正盐
(2)蒸发浓缩 冷却结晶 (3)2NiCl2+NaH2PO2+2H2O
2Ni↓+H3PO4+NaCl+3HCl
-2+
(4)过量的碱将NaH2PO2转化为Na2HPO3 (5)CaCO3和Al(OH)3 (6)过量的Ag会氧化H2P 2 (7)H2P 2+2H2O-4e
--+
-
H3PO4+3H
+
解析:(1)由于H3PO2是一元中强酸,则NaH2PO2是正盐。
(2)根据题中所给信息,PH3与NaClO反应生成NaH2PO2和NaCl,从吸收液中获得NaH2PO2·H2O的操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤和干燥。