专题13 工艺流程综合题-:三年(2021-2023)高考化学真题分项汇编(全国通用)(解析版)

2023-11-14 · U1 上传 · 61页 · 6.1 M

专题十三工艺流程综合题1.(2023·全国乙卷)LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿(MnCO3,含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素)制备LiMn2O4的流程如下:已知:Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33,Ksp[Ni(OH)2]=5.5×10-16。回答下列问题:(1)硫酸溶矿主要反应的化学方程式为。为提高溶矿速率,可采取的措施(举1例)。(2)加入少量MnO2的作用是。不宜使用H2O2替代MnO2,原因是。(3)溶矿反应完成后,反应器中溶液pH=4,此时c(Fe3+)=mol·L-1;用石灰乳调节至pH≈7,除去的金属离子是。(4)加入少量BaS溶液除去Ni2+,生成的沉淀有。(5)在电解槽中,发生电解反应的离子方程式为。随着电解反应进行,为保持电解液成分稳定,应不断。电解废液可在反应器中循环利用。(6)煅烧窑中,生成LiMn2O4反应的化学方程式是。【答案】(1)MnCO3+H2SO4=MnSO4+H2O+CO2↑粉碎菱锰矿(2)将Fe2+氧化为Fe3+Fe3+可以催化H2O2分解(3)2.8×10-9Al3+(4)BaSO4、NiS(5)Mn2++2H2OH2↑+MnO2↓+2H+加入Mn(OH)2(6)2Li2CO3+8MnO24LiMn2O4+2CO2↑+O2↑【分析】根据题给的流程,将菱锰矿置于反应器中,加入硫酸和MnO2,可将固体溶解为离子,将杂质中的Fe、Ni、Al等元素物质也转化为其离子形式,同时,加入的MnO2可以将溶液中的Fe2+氧化为Fe3+;随后将溶液pH调至制约等于7,此时,根据已知条件给出的三种氢氧化物的溶度积可以将溶液中的Al3+沉淀出来;随后加入BaS,可以将溶液中的Ni2+沉淀,得到相应的滤渣;后溶液中含有大量的Mn2+,将此溶液置于电解槽中电解,得到MnO2,将MnO2与碳酸锂共同煅烧得到最终产物LiMn2O4。【详解】(1)菱锰矿中主要含有MnCO3,加入硫酸后可以与其反应,硫酸溶矿主要反应的化学方程式为:MnCO3+H2SO4=MnSO4+H2O+CO2↑;为提高溶矿速率,可以将菱锰矿粉碎;故答案为:MnCO3+H2SO4=MnSO4+H2O+CO2↑、粉碎菱锰矿。(2)根据分析,加入MnO2的作用是将酸溶后溶液中含有的Fe2+氧化为Fe3+,但不宜使用H2O2氧化Fe2+,因为氧化后生成的Fe3+可以催化H2O2分解,不能使溶液中的Fe2+全部氧化为Fe3+;故答案为:将Fe2+氧化为Fe3+、Fe3+可以催化H2O2分解。(3)溶矿完成以后,反应器中溶液pH=4,此时溶液中c(OH-)=1.0×10-10mol·L-1,此时体系中含有的c(Fe3+)==2.8×10-9mol·L-1,这时,溶液中的c(Fe3+)小于1.0×10-5,认为Fe3+已经沉淀完全;用石灰乳调节至pH≈7,这时溶液中c(OH-)=1.0×10-7mol·L-1,溶液中c(Al3+)=1.3×10-12mol·L-1,c(Ni2+)=5.5×10-4mol·L-1,c(Al3+)小于1.0×10-5,Al3+沉淀完全,这一阶段除去的金属离子是Al3+;故答案为:2.8×10-9、Al3+。(4)加入少量BaS溶液除去Ni2+,此时溶液中发生的离子方程式为Ba2++S2-+Ni2++SO=BaSO4↓+NiS↓,生成的沉淀有BaSO4、NiS。(5)在电解槽中,Mn2+发生反应生成MnO2,反应的离子方程式为Mn2++2H2OH2↑+MnO2↓+2H+;电解时电解液中Mn2+大量减少,H+大量增加,需要加入Mn(OH)2以保持电解液成分的稳定;故答案为:Mn2++2H2OH2↑+MnO2↓+2H+、加入Mn(OH)2。(6)煅烧窑中MnO2与Li2CO3发生反应生成LiMn2O4,反应的化学方程式为2Li2CO3+8MnO24LiMn2O4+2CO2↑+O2↑;故答案为:2Li2CO3+8MnO24LiMn2O4+2CO2↑+O2↑。2.(2023·全国甲卷)是一种压电材料。以为原料,采用下列路线可制备粉状。  回答下列问题:(1)“焙烧”步骤中碳粉的主要作用是。(2)“焙烧”后固体产物有、易溶于水的和微溶于水的。“浸取”时主要反应的离子方程式为。(3)“酸化”步骤应选用的酸是(填标号)。a.稀硫酸    b.浓硫酸    c.盐酸    d.磷酸(4)如果焙烧后的产物直接用酸浸取,是否可行?,其原因是。(5)“沉淀”步骤中生成的化学方程式为。(6)“热分解”生成粉状钛酸钡,产生的。【答案】(1)做还原剂,将还原(2)(3)c(4)不可行产物中的硫化物与酸反应生成的有毒气体会污染空气,而且与盐酸反应生成可溶于水的,导致溶液中混有杂质无法除去、最终所得产品的纯度降低(5)(6)【分析】由流程和题中信息可知,与过量的碳粉及过量的氯化钙在高温下焙烧得到、、易溶于水的和微溶于水的;烧渣经水浸取后过滤,滤渣中碳粉和,滤液中有和;滤液经酸化后浓缩结晶得到晶体;晶体溶于水后,加入和将钡离子充分沉淀得到;经热分解得到。【详解】(1)“焙烧”步骤中,与过量的碳粉及过量的氯化钙在高温下焙烧得到、、和,被还原为,因此,碳粉的主要作用是做还原剂,将还原。(2)“焙烧”后固体产物有、易溶于水的和微溶于水的。易溶于水的与过量的可以发生复分解反应生成硫化钙沉淀,因此,“浸取”时主要反应的离子方程式为。(3)“酸化”步骤是为了将转化为易溶液于的钡盐,由于硫酸钡和磷酸钡均不溶于水,而可溶于水,因此,应选用的酸是盐酸,选c。(4)如果焙烧后的产物直接用酸浸取是不可行的,其原因是:产物中的硫化物与酸反应生成的有毒气体会污染空气,而且与盐酸反应生成可溶于水的,导致溶液中混有杂质无法除去、最终所得产品的纯度降低。(5)“沉淀”步骤中生成的化学方程式为:++=。(6)“热分解”生成粉状钛酸钡,该反应的化学方程式为,,因此,产生的=。3.(2023·全国课标卷)铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在,主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物,从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图所示:  已知:最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2O存在,在碱性介质中以CrO存在。回答下列问题:(1)煅烧过程中,钒和铬被氧化为相应的最高价含氧酸盐,其中含铬化合物主要为(填化学式)。(2)水浸渣中主要有SiO2和。(3)“沉淀”步骤调pH到弱碱性,主要除去的杂质是。(4)“除硅磷”步骤中,使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀,该步需要控制溶液的pH≈9以达到最好的除杂效果,若pH<9时,会导致;pH>9时,会导致。(5)“分离钒”步骤中,将溶液pH调到1.8左右得到V2O5沉淀,V2O5在pH<1时,溶解为VO或VO3+在碱性条件下,溶解为VO或VO,上述性质说明V2O5具有(填标号)。A.酸性          B.碱性         C.两性(6)“还原”步骤中加入焦亚硫酸钠(Na2S2O5)溶液,反应的离子方程式为。【答案】(1)Na2CrO4(2)Fe2O3(3)Al(OH)3(4)磷酸根会与H+反应使其浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀,同时可能产生硅酸胶状沉淀不宜处理会导镁离子生成氢氧化镁沉淀,不能形成MgSiO3沉淀,导致产品中混有杂质,同时溶液中铵根离子浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀(5)C(6)2Cr2O+3S2O+10H+=4Cr3++6SO+5H2O【分析】由题给流程可知,铬钒渣在氢氧化钠和空气中煅烧,将钒、铬、铝、硅、磷等元素转化为相应的最高价含氧酸盐,煅烧渣加入水浸取、过滤得到含有二氧化硅、氧化铁的滤渣和滤液;向滤液中加入稀硫酸调节溶液pH将Al元素转化为氢氧化铝沉淀,过滤得到强氧化铝滤渣和滤液;向滤液中加入硫酸镁溶液、硫酸铵溶液将硅元素、磷元素转化为MgSiO3和MgNH4PO4沉淀,过滤得到含有MgSiO3、MgNH4PO4的滤渣和滤液;向滤液中加入稀硫酸调节溶液pH将钒元素转化为五氧化二钒,过滤得到五氧化二钒和滤液;向滤液中焦亚硫酸钠溶液将铬元素转化为三价铬离子,调节溶液pH将铬元素转化为氢氧化铬沉淀,过滤得到氢氧化铬。【详解】(1)由分析可知,煅烧过程中,铬元素转化为铬酸钠,故答案为:Na2CrO4;(2)由分析可知,水浸渣中主要有二氧化硅、氧化铁,故答案为:Fe2O3;(3)由分析可知,沉淀步骤调pH到弱碱性的目的是将Al元素转化为氢氧化铝沉淀,故答案为:Al(OH)3;(4)由分析可知,加入硫酸镁溶液、硫酸铵溶液的目的是将硅元素、磷元素转化为MgSiO3和MgNH4PO4沉淀,若溶液pH<9时,磷酸根会与H+反应使其浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀,同时可能产生硅酸胶状沉淀不宜处理;若溶液pH>9时,会导镁离子生成氢氧化镁沉淀,不能形成MgSiO3沉淀,导致产品中混有杂质,同时溶液中铵根离子浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀,故答案为:磷酸根会与H+反应使其浓度降低导致MgNH4PO4,同时可能产生硅酸胶状沉淀不宜处理;会导镁离子生成氢氧化镁沉淀,不能形成MgSiO3沉淀,导致产品中混有杂质,同时溶液中铵根离子浓度降低导致MgNH4PO4无法完全沉淀;(5)由题给信息可知,五氧化二钒水能与酸溶液反应生成盐和水,也能与碱溶液发生生成盐和水的两性氧化物,故选C;(6)由题意可知,还原步骤中加入焦亚硫酸钠溶液的目的是将铬元素转化为铬离子,反应的离子方程式为2Cr2O+3S2O+10H+=4Cr3++6SO+5H2O,故答案为:2Cr2O+3S2O+10H+=4Cr3++6SO+5H2O。4.(2023·山东卷)盐湖卤水(主要含、和硼酸根等)是锂盐的重要来源。一种以高镁卤水为原料经两段除镁制备的工艺流程如下:已知:常温下,。相关化合物的溶解度与温度的关系如图所示。回答下列问题:(1)含硼固体中的在水中存在平衡:(常温下,);与溶液反应可制备硼砂。常温下,在硼砂溶液中,水解生成等物质的量浓度的和,该水解反应的离子方程式为,该溶液。(2)滤渣Ⅰ的主要成分是(填化学式);精制Ⅰ后溶液中的浓度为,则常温下精制Ⅱ过程中浓度应控制在以下。若脱硼后直接进行精制Ⅰ,除无法回收外,还将增加的用量(填化学式)。(3)精制Ⅱ的目的是;进行操作时应选择的试剂是,若不进行该操作而直接浓缩,将导致。【答案】(1)(2)CaO(3)加入纯碱将精制Ⅰ所得滤液中的转化为(或除去精制Ⅰ所得滤液中的),提高纯度盐酸浓缩液中因浓度过大使得过早沉淀,即浓缩结晶得到的中会混有,最终所得的产率减小【分析】由流程可知,卤水中加入盐酸脱硼后过滤,所得滤液经浓缩结晶后得到晶体,该晶体中含有Na+、Li+、Cl-、等,焙烧后生成HCl气体;烧渣水浸后过滤,滤液中加生石灰后产生沉淀,在此条件下溶解度最小的是,则滤渣Ⅰ的主要成分为;由于微溶于水,精制Ⅰ所得滤液中再加纯碱又生成沉淀,则滤渣Ⅱ为;精制Ⅱ所得滤液经操作X后,所得溶液经浓缩结晶、过滤得到氯化钠,浓缩后的滤液中加入饱和碳酸钠溶液沉锂,得到。【详解】(1)含硼固体中的在水中存在平衡:(常温下,);与溶液反应可制备硼砂。常温下.在硼砂溶液中,水解生成等物质的量浓度的和,该水解反应的离子方程式为,由B元素守恒可知,和的浓度均为,,则该溶液。(2)由分析可知,滤渣I的主要成分是;精制I后溶液中的浓度为2.0,由可知,则常温下精制Ⅱ过程中浓度应控制在以下。若脱硼后直接进行精制Ⅰ,若不回收HCl,整个溶液将呈强酸性,因此为达到除Mg2+离子所需的碱性pH首先需要额外多消耗CaO,同时多引入的Ca2+离子需要更多的纯碱除去,因此,还将增加生石灰(CaO)和纯碱()的用量。(3)精制Ⅰ中,烧渣水浸后的滤液中加生石灰后产生的滤渣Ⅰ的主要成分为;由于微溶于水,精制Ⅰ所得滤液中还含有一定浓度的,还需要除去,因此,精制Ⅱ的目的是:加入纯碱将精制Ⅰ所得滤液中的转化为(或除去精制Ⅰ所得滤液中的),提高纯度。操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