2024屆新高考化學熱點沖刺復習：科學探究-以金屬及其化合物為主體的化學工藝流程分析

2024屆新高考化學熱點沖刺復習科學探究——以金屬及其化合物為主體的化學工藝流程分析探究命題角度發(fā)展核心素養(yǎng)以金屬及其化合物的制備為主體的化學工藝流程分析是高考命題的熱點之一,考查金屬及其化合物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化、化學實驗基本操作、反應條件的控制等,突出考查考生的綜合分析能力、變化觀念、創(chuàng)新思維能力等[變化觀念與平衡思想]通過對金屬及其化合物為主體的化學工藝流程分析,考查學生對金屬元素及其化合物的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的應用能力及轉(zhuǎn)化過程中制備、分離、提純常用的方法,促進學生建立變化觀念,提升利用轉(zhuǎn)化關(guān)系解決實際問題的能力探究點1

以金屬及其化合物為主體的“微流程”“六看法”突破金屬及其化合物的制備“微流程”例1LiBr溶液可作為替代氟利昂的綠色制冷劑。合成LiBr工藝流程如下:下列說法錯誤的是(

)A.還原工序逸出的Br2用NaOH溶液吸收,吸收液直接返回還原工序B.除雜工序中產(chǎn)生的濾渣可用煤油進行組分分離C.中和工序中的化學反應為Li2CO3+2HBrCO2↑+2LiBr+H2OD.參與反應的n(Br2)∶n(BaS)∶n(H2SO4)為1∶1∶1A

變式題

工廠的工業(yè)廢水中含有大量的FeSO4和較多的Cu2+。某興趣小組模擬工業(yè)從該廢水中回收金屬銅,并制備Fe(OH)SO4,流程如下:下列說法不正確的是(

)A.操作1和操作2均為過濾B.甲為鐵粉,乙為稀硫酸C.往溶液1與溶液2中加入NaNO2反應生成NO,欲制備1.5molFe(OH)SO4,理論上至少需要1.5molNaNO2

D.取少量產(chǎn)品Fe(OH)SO4溶于鹽酸,滴入酸性KMnO4溶液,若紫紅色褪去,則產(chǎn)品中含F(xiàn)e2+D

探究點2

以金屬及其化合物為主體的化學工藝流程分析1.化學工藝流程思維模型2.化學工藝流程中原料預處理的5種常用方法方法目的研磨增大固體與液體或氣體間的接觸面積,加快反應速率水浸與水接觸反應或溶解酸浸與酸接觸反應或溶解,使可溶性金屬離子進入溶液,不溶物通過過濾除去灼燒除去可燃性雜質(zhì)或使原料初步轉(zhuǎn)化,如從海帶中提取碘時的灼燒就是為了除去可燃性雜質(zhì)煅燒改變結(jié)構(gòu),使一些物質(zhì)能溶解,并使一些雜質(zhì)在高溫下氧化、分解,如煅燒高嶺土3.化學工藝流程中控制反應條件的6種方法方法目的調(diào)節(jié)溶液的pH常用于使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀控制溫度根據(jù)需要升溫或降溫,改變反應速率或使平衡向需要的方向移動控制壓強改變速率,影響平衡使用合適的催化劑改變反應速率,控制達到平衡需要的時間趁熱過濾防止某物質(zhì)在降溫時析出冰水洗滌洗去晶體表面的雜質(zhì)離子,并減少晶體在洗滌過程中的溶解損耗[注意]調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)一般應滿足兩點:①能與H+反應,使溶液pH變大;②不引入新雜質(zhì)。例如,若要除去Cu2+中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3等物質(zhì)調(diào)節(jié)溶液的pH,不可加入NaOH溶液、氨水等。例2某工廠采用輝鉍礦(主要成分為Bi2S3,含有FeS2、SiO2雜質(zhì))與軟錳礦(主要成分為MnO2)聯(lián)合焙燒法制備BiOCl和MnSO4,工藝流程如下:已知:①焙燒時過量的MnO2分解為Mn2O3,FeS2轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2O3;②金屬活動性:Fe>(H)>Bi>Cu;③相關(guān)金屬離子形成氫氧化物的pH范圍如下:

開始沉淀pH完全沉淀pHFe2+6.58.3Fe3+1.62.8Mn2+8.110.1回答下列問題:(1)為提高焙燒效率,可采取的措施為

。

a.進一步粉碎礦石b.鼓入適當過量的空氣c.降低焙燒溫度ab[解析](1)聯(lián)合焙燒時,進一步粉碎礦石,可以增大礦石與空氣的接觸面積,能夠提高焙燒效率,a符合題意;鼓入適當過量的空氣有利于礦石充分反應,b符合題意;降低焙燒溫度,反應速率減慢,不利于提高焙燒效率,c不符合題意。(2)Bi2S2在空氣中單獨焙燒生成Bi2O3,反應的化學方程式為

。

(3)“酸浸”中過量濃鹽酸的作用為:①充分浸出Bi3+和Mn2+;②

。

[解析](2)Bi2S3在空氣中單獨焙燒生成Bi2O3,根據(jù)原子守恒可知還應生成SO2,結(jié)合得失電子守恒,反應的化學方程式為2Bi2S3+9O22Bi2O3+6SO2。2Bi2S3+9O22Bi2O3+6SO2抑制金屬離子水解(3)加入濃鹽酸后,溶液中含有的離子主要為Bi3+、Fe3+、Mn2+、H+、Cl-,而酸浸后取濾液進行轉(zhuǎn)化,故要防止金屬離子水解生成沉淀,進入濾渣,造成制得的BiOCl產(chǎn)率偏低。(4)濾渣的主要成分為

(填化學式)。

(5)生成氣體A的離子方程式為

。

(6)加入金屬Bi的目的是

。

[解析](6)由已知信息③知,調(diào)pH=2.6時,Fe3+會水解生成Fe(OH)3沉淀,但Fe2+還沒開始沉淀,故要將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+,在調(diào)pH后獲得含F(xiàn)eCl2的濾液,為了不引入新的雜質(zhì),加入Bi作還原劑。Mn2O3+6H++2Cl-2Mn2++Cl2↑+3H2O將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+SiO2變式題

膽礬(CuSO4·5H2O)是一種重要化工原料。某研究小組以生銹的銅屑為原料[主要成分是Cu,含有少量的油污、CuO、CuCO3、Cu(OH)2]制備膽礬。流程如下?；卮饐栴}:(1)步驟①的目的是

。

(2)步驟②中,若僅用濃H2SO4溶解固體B,將生成

(填化學式)污染環(huán)境。

除油污[解析]由流程中的信息可知,原料經(jīng)碳酸鈉溶液浸洗后過濾,可以除去原料表面的油污;固體B與過量的稀硫酸、雙氧水反應,其中的Cu、CuO、CuCO3、Cu(OH)2均轉(zhuǎn)化為CuSO4,溶液C為硫酸銅和稀硫酸的混合液,加熱濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾后得到膽礬。(1)原料表面含有少量的油污,Na2CO3溶液呈堿性,可以除去原料表面的油污。(2)在加熱的條件下,銅可以與濃硫酸發(fā)生反應生成CuSO4、SO2和H2O,二氧化硫是一種大氣污染物。SO2(3)步驟②中,在H2O2存在下Cu溶于稀H2SO4,反應的化學方程式為

。

(4)經(jīng)步驟④得到的膽礬,不能用水洗滌的主要原因是

。

Cu+H2O2+H2SO4CuSO4+2H2O[解析](3)步驟②中,在H2O2存在下Cu溶于稀H2SO4,生成CuSO4和H2O,該反應的化學方程式為Cu+H2O2+H2SO4CuSO4+2H2O。膽礬晶體易溶于水(4)膽礬是一種易溶于水的晶體,用水洗滌會導致膽礬的產(chǎn)率降低,因此,經(jīng)步驟④得到的膽礬不能用水洗滌。(5)實驗證明,濾液D能將I-氧化為I2。ⅰ.甲同學認為不可能是步驟②中過量H2O2將I-氧化為I2,理由是

。

ⅱ.乙同學通過實驗證實,只能是Cu2+將I-氧化為I2,寫出乙同學的實驗方案及結(jié)果:

(不要求寫具體操作過程)。

溶液C經(jīng)步驟③加熱濃縮后H2O2已完全分解取濾液,向其中加入適量硫化鈉溶液,使銅離子恰好完全沉淀,再加入I-,溶液不變色,I-不能被氧化[解析](5)ⅰ.H2O2常溫下即能發(fā)生分解反應,在加熱的條件下,其分解速率更快,溶液C經(jīng)步驟③加熱濃縮后H2O2已完全分解,因此,甲同學認為不可能是步驟②中過量H2O2將I-氧化為I2。ⅱ.I-被氧化為I2時溶液的顏色會發(fā)生變化;濾液D中含有CuSO4和H2SO4,乙同學通過實驗證實,只能是Cu2+將I-氧化為I2,較簡單的方案是除去溶液中的Cu2+,然后再向其中加入含有I-的溶液,觀察溶液是否變色;除去溶液中的Cu2+的方法有多種,可以加入適當?shù)某恋韯⑵滢D(zhuǎn)化為難溶物,如加入Na2S將其轉(zhuǎn)化為CuS沉淀,因此,乙同學的實驗方案為取少量濾液D,向其中加入適量Na2S溶液,直至不再有沉淀生成,靜置后向上層清液中加入少量KI溶液;實驗結(jié)果為上層清液不變色,證明I-不能被除去Cu2+的溶液氧化,故只能是Cu2+將I-氧化為I2。探究點一以金屬及其化合物為主體的“微流程”1.一種工業(yè)制備無水氯化鎂的工藝流程如下:下列說法錯誤的是(

)A.物質(zhì)X常選用生石灰B.工業(yè)上常用電解熔融MgCl2制備金屬鎂C.“氯化”過程中發(fā)生的反應為MgO+C+Cl2MgCl2+COD.“煅燒”后的產(chǎn)物中加稀鹽酸,將所得溶液加熱蒸發(fā)也可得到無水MgCl2D[解析]流程梳理:物質(zhì)X常選用生石灰,“沉鎂”發(fā)生反應:CaO+H2OCa(OH)2,MgCl2+Ca(OH)2Mg(OH)2↓+CaCl2,使Mg2+轉(zhuǎn)化成Mg(OH)2,A正確;工業(yè)上常用電解熔融MgCl2制備金屬鎂,B正確;“氯化”過程中發(fā)生的反應為MgO+C+Cl2MgCl2+CO,C正確;“煅燒”后的產(chǎn)物中加稀鹽酸轉(zhuǎn)化成MgCl2,不能通過加熱蒸發(fā)MgCl2溶液得到無水MgCl2,需在氯化氫氣流中加熱得到無水氯化鎂,D錯誤。2.

BiOCl是一種具有珍珠光澤的材料,利用金屬Bi制備BiOCl的工藝流程如圖:下列說法錯誤的是(

)A.酸浸工序中分次加入稀HNO3可降低反應劇烈程度B.轉(zhuǎn)化工序中加入稀HCl可抑制生成BiONO3C.水解工序中加入少量CH3COONa(s)可提高Bi3+水解程度D.水解工序中加入少量NH4NO3(s)有利于BiOCl的生成D[解析]酸浸工序中分次加入稀HNO3相當于減小了酸的濃度,也就減小了金屬與酸的反應速率,即降低反應劇烈程度,A項正確;轉(zhuǎn)化工序中,Bi(NO3)3+H2OBiONO3+2HNO3,加入稀HCl能夠抑制該水解平衡正向移動,也就抑制生成BiONO3,B項正確;水解工序中,BiCl3+H2OBiOCl+2HCl,加入的少量CH3COONa(s)與HCl反應,有利于水解平衡正向移動,提高了Bi3+水解程度,C項正確;NH4NO3水解顯酸性,BiCl3+H2OBiOCl+2HCl,不利于水解平衡正向移動,不利于BiOCl的生成,D項錯誤。123456783.以菱鎂礦(主要成分為MgCO3,含少量SiO2、Fe2O3和Al2O3)為原料制備高純鎂砂的工藝流程如下:已知浸出時產(chǎn)生的廢渣中有SiO2、Fe(OH)3和Al(OH)3。下列說法錯誤的是(

)A.浸出鎂的反應為MgO+2NH4ClMgCl2+2NH3↑+H2OB.“浸出”和“沉鎂”的操作均應在較高溫度下進行C.流程中可循環(huán)使用的物質(zhì)有NH3、NH4ClD.分離Mg2+與Al3+、Fe3+是利用了它們氫氧化物Ksp

的不同B[解析]煅燒菱鎂礦,MgCO3分解為MgO,根據(jù)已知中浸出時產(chǎn)生的廢渣可知,浸出液中鎂以Mg2+形式存在并釋放出NH3,則浸出鎂的反應為MgO+2NH4ClMgCl2+2NH3↑+H2O,A項正確;“浸出”過程中,為促進Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀的形成以及氨氣的逸出,提高分離效果,應在較高溫度下進行,而“沉鎂”過程中若在較高溫度下進行,會促進一水合氨的分解,對沉鎂效果不利,B項錯誤;浸出過程產(chǎn)生的氨氣和沉鎂過程中產(chǎn)生的NH4Cl可以循環(huán)使用,C項正確;在相同的條件下,Fe3+、Al3+形成沉淀,而鎂以Mg2+形式存在,說明它們氫氧化物的Ksp

差異較大,D項正確。4.

SnCl2易水解,是常見的抗氧化劑。實驗室以SnCl2為原料制備SnSO4·2H2O的流程如圖所示。下列說法正確的是(

)A.氣體為NH3B.反應1只發(fā)生復分解反應C.溶解時,再加入適量Sn粉可以提高產(chǎn)品純度D.操作1為蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥C[解析]SnCl2易水解,SnCl2固體溶解后溶液顯酸性,在溶液中加入碳酸氫銨,生成二氧化碳氣體,最終得到SnO,SnO溶于硫酸得到SnSO4溶液,再通過操作1得到SnSO4·2H2O。氣體應為二氧化碳,A錯誤;反應1中首先發(fā)生雙水解反應(屬于復分解反應)得到Sn(OH)2,Sn(OH)2分解得到SnO(分解反應),B錯誤;SnCl2常作抗氧化劑,說明其易被氧化,適量Sn粉可防止SnCl2被氧氣氧化,從而提高產(chǎn)品純度,C正確;SnSO4溶液通過蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥等操作會發(fā)生氧化,得不到SnSO4·2H2O,D錯誤。123456785.氟化鉀是一種重要的無機化合物,應用廣泛。其一種制備工藝流程如下:探究點二以金屬及其化合物為主體的化工工藝流程分析回答下列問題:(1)“濾渣”中的主要成分是

(填化學式),寫出該成分的一種用途:

。

CaSO4(或CaSO4·2H2O)制石膏繃帶,調(diào)節(jié)水泥硬化速率等(合理答案均可)[解析]本題是一道無機物制備類的實驗題,首先用硫酸、二氧化硅與氟化鈣反應生成H2SiF6,再加入氯化鉀將H2SiF6轉(zhuǎn)化為K2SiF6,再用濃氨水將K2SiF6轉(zhuǎn)化為KF,處理后得到晶體。(1)氟化鈣、硫酸和二氧化硅反應生成H2SiF6,同時生成硫酸鈣,硫酸鈣難溶于水,故“濾渣”中的主要成分是CaSO4(或CaSO4·2H2O);硫酸鈣在醫(yī)療上可用來制備石膏繃帶,故其作用是制石膏繃帶,調(diào)節(jié)水泥硬化速率等。(2)寫出制備H2SiF6的反應的化學方程式:

;配制18.4g50%的濃硫酸,需要用量筒量取密度為1.84g·cm-3的98%的濃硫酸

mL。

(3)制備K2SiF6的反應其基本反應類型為

。

SiO2+3H2SO4+3CaF23CaSO4+H2SiF6+2H2O5.1[解析](2)由第一問可知,氟化鈣和硫酸和二氧化硅反應生成H2SiF6,相應的化學方程式為SiO2+3H2SO4+3CaF23CaSO4+H2SiF6+2H2O;配制溶液的過程中溶質(zhì)的物質(zhì)的量不變,設(shè)需要硫酸的體積為V,則1.84g·cm-3V×98%=18.4g×50%,解得V=5.1mL。復分解反應(3)H2SiF6和KCl反應生成K2SiF6和HCl,屬于復分解反應。(4)寫出“轉(zhuǎn)化”時發(fā)生反應的化學方程式:

。

(5)“系列操作”包括

、過濾分離和干燥。

K2SiF6+4NH3·H2O2KF+4NH4F+SiO2+2H2O[解析](4)“轉(zhuǎn)化”時濃氨水和K2SiF6反應生成二氧化硅和氟化銨、氟化鉀,化學方程式為K2SiF6+4NH3·H2O2KF+4NH4F+SiO2+2H2O。(5)“系列操作”屬于晶體的制備操作,包括蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾分離和干燥的方法。蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶6.鎳粉作為導電填料廣泛應用于電路保護的熱敏器件,其具有明顯降低電阻率的優(yōu)點。某工廠以氧化鎳廢渣(主要含有NiO、Fe3O4及少量SiO2)為主要原料制備鎳粉,其工藝流程如圖所示:25℃時,溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:金屬離子Ni2+Fe3+Fe2+開始沉淀時(c=0.01mol·L-1)的pH7.22.27.5沉淀完全時(c=1.0×10-5mol·L-1)的pH8.73.2a12345678回答下列問題:(1)“酸浸”時Fe3O4發(fā)生反應的離子方程式為

,“濾渣1”中主要成分的一種用途是

。

Fe3O4+8H+Fe2++2Fe3++4H2O制光導纖維或制玻璃[解析]氧化鎳廢渣加稀硫酸酸浸,SiO2不溶,過濾除去,濾液中加入H2O2溶液,將Fe2+氧化為Fe3+,再加NiO調(diào)節(jié)溶液的pH,將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀除去,濾液中加草酸銨,將Ni2+沉淀為NiC2O4,最后用H2還原NiC2O4得到鎳。(1)“酸浸”時Fe3O4和稀硫酸發(fā)生反應生成硫酸鐵、硫酸亞鐵和水,離子方程式為Fe3O4+8H+2Fe3++Fe2++4H2O?！盀V渣1”中主要成分是SiO2,可以用來制光導纖維、制玻璃等。(2)“轉(zhuǎn)化”時理論上消耗的氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為

。

[解析](2)“轉(zhuǎn)化”時Fe2+被H2O2氧化為Fe3+,氧化劑是H2O2,1molH2O2得到2mol電子,Fe2+是還原劑,1molFe2+失去1mol電子,根據(jù)得失電子守恒,理論上消耗的氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1∶2。1∶2(3)“調(diào)pH”時應控制的pH范圍是

,

表中a=

。

3.2~7.29(4)“沉鎳”時不宜用草酸鈉代替草酸銨,其原因是______________________________________________________________________________________________________

,

“濾液”中溶質(zhì)的主要成分為

(寫化學式)。

草酸鈉溶液堿性較強,會生成Ni(OH)2沉淀,草酸銨中草酸根離子和銨根離子都水解,使溶液的酸堿性保持在一個適合草酸鎳生成沉淀而Ni(OH)2不沉淀的環(huán)境(NH4)2SO4[解析](4)草酸鈉溶液堿性較強,可能會生成Ni(OH)2沉淀,草酸銨中草酸根離子和銨根離子都水解,使溶液的酸堿性保持在一個適合草酸鎳生成沉淀而Ni(OH)2不沉淀的環(huán)境,所以不能用草酸鈉代替草酸銨;根據(jù)流程中加入的物質(zhì),濾液的主要成分是(NH4)2SO4。(5)“還原”時NiC2O4與H2反應,氣體產(chǎn)物為CO、CO2,且物質(zhì)的量之比為1∶1,該反應的化學方程式為

。

[解析](5)“還原”時NiC2O4與H2反應,氣體產(chǎn)物為CO、CO2,且物質(zhì)的量之比為1∶