33 化学工艺流程综合题.docx

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33化学工艺流程综合题

3－3　化学工艺流程综合题

1．硼镁泥是硼镁矿生产硼砂晶体（Na2B4O7·10H2O）时的废渣，其主要成分是MgO，还含有Na2B4O7、CaO、Fe2O3、FeO、MnO、SiO2等杂质。

以硼镁泥为原料制取的七水硫酸镁在印染、造纸和医药等工业上都有广泛的应用。

硼镁泥制取七水硫酸镁的工艺流程如下：

回答下列问题：

（1）Na2B4O7·10H2O中B的化合价为______________________________________。

（2）Na2B4O7易溶于水，也较易发生水解：

B4O

＋7H2O4H3BO3（硼酸）＋2OH－（硼酸在常温下溶解度较小）。

写出加入硫酸时Na2B4O7发生反应的化学方程式：

________________________________________________________________________。

（3）滤渣B中含有不溶于稀盐酸但能溶于浓盐酸的黑色固体，写出生成黑色固体的离子方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）加入MgO的目的是________________________________________________。

（5）已知MgSO4、CaSO4的溶解度如下表：

　　　温度（℃）

溶解度（g）　　　

40

50

60

70

MgSO4

30.9

33.4

35.6

36.9

CaSO4

0.210

0.207

0.201

0.193

“操作A”是将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去，根据上表数据，简要说明“操作A”步骤为____________________。

（6）Na2B4O7·10H2O失去全部结晶水后的硼砂与金属钠、氢气及石英砂一起反应可制备有机化学中的“万能还原剂——NaBH4”（该过程B的化合价不变）。

①写出NaBH4的电子式：

______________。

②“有效氢含量”可用来衡量含氢还原剂的还原能力，其定义是：

每克含氢还原剂的还原能力相当于多少克H2的还原能力。

NaBH4的有效氢含量为________（计算结果保留两位小数）。

③在碱性条件下，在阴极上电解NaBO2也可制得硼氢化钠，写出阴极室的电极反应式：

________________________________________________________________________。

解析：

（1）Na2B4O7·10H2O中，钠的化合价＋1价，氧的化合价－2价，设B的化合价为x价，根据元素化合价代数和为0计算：

2×（＋1）＋4x＋（－2）×7＝0，x＝＋3。

（2）在Na2B4O7溶液中加入硫酸，会促进水解，反应生成硼酸，化学方程式为Na2B4O7＋H2SO4＋5H2O＝Na2SO4＋4H3BO3↓。

（3）NaClO溶液在加热条件下将溶液中的Mn2＋氧化成MnO2，生成黑色固体的离子方程式为ClO－＋Mn2＋＋H2O===MnO2＋Cl－＋2H＋。

（4）加入MgO的目的是调节溶液的pH值，使Fe3＋转化为氢氧化铁沉淀除去。

（5）温度对MgSO4、CaSO4的溶解度有影响，温度越高，CaSO4溶解度越小，故可以采用蒸发浓缩、趁热过滤的方法除去CaSO4。

（6）①NaBH4属于离子化合物，电子式为

。

②每克含氢还原剂的还原能力相当于多少克H2的还原能力，则NaBH4变化为H＋，电子转移8e－，电子转移和H2变化为H＋电子转移相同，设NaBH4的质量为1g，相当于H2质量为x，

×8＝

×2，解得x≈0.21g。

③在阴极上电解NaBO2也可制得硼氢化钠，则阴极室BO

得电子发生还原反应生成BH

，则电极反应式为BO

＋6H2O＋8e－===BH

＋8OH－。

答案：

（1）＋3

（2）Na2B4O7＋H2SO4＋5H2O===Na2SO4＋4H3BO3↓

（3）ClO－＋Mn2＋＋H2O===MnO2＋Cl－＋2H＋

（4）调节溶液的pH值，使Fe3＋转化为氢氧化铁沉淀除去

（5）蒸发浓缩、趁热过滤

（6）①

　②0.21

③BO

＋6H2O＋8e－===BH

＋8OH－

2．砷为第ⅤA族元素，金属冶炼过程中产生的含砷有毒废弃物需处理与检测。

Ⅰ.冶炼废水中砷元素主要以亚砷酸（H3AsO3）的形式存在，可用化学沉降法处理酸性高浓度含砷废水，其工艺流程如下：

已知：

①As2S3与过量的S2－存在以下反应：

As2S3（s）＋3S2－（aq）2AsS

（aq）；

②亚砷酸盐的溶解性大于相应砷酸盐。

（1）亚砷酸中砷元素的化合价为________；砷酸的第一步电离方程式为________________________________________________________________________。

（2）“一级沉砷”中FeSO4的作用是______________________________________；“二级沉砷”中H2O2与含砷物质反应的化学方程式为____________________________。

（3）沉淀X为____________（填化学式）。

Ⅱ.冶炼废渣中的砷元素主要以As2S3的形式存在，可用古氏试砷法半定量检测（As的最低检出限为3.0×10－6g）。

步骤1：

取10g废渣样品，粉碎后与锌粉混合，加入H2SO4共热，生成AsH3气体。

步骤2：

将AsH3气体通入AgNO3溶液中，生成银镜和As2O3。

步骤3：

取1g废渣样品，重复上述实验，未见银镜生成。

（4）AsH3的电子式为________________。

（5）步骤2的离子方程式为_______________________________________________。

（6）固体废弃物的排放标准中，砷元素不得高于4.0×10－5g·kg－1，请通过计算说明该排放的废渣中砷元素的含量________（填“符合”或“不符合”）排放标准，原因是________________________________________________________________________。

解析：

（1）亚砷酸（H3AsO3）中，氧元素化合价为－2价，氢元素化合价为＋1价，砷元素化合价设为x，＋1×3＋x＋（－2）×3＝0，x＝＋3；第ⅤA族非金属元素形成的最高价含氧酸中磷、砷形成的含氧酸都是弱酸，在水溶液中分步电离，第一步电离方程式为H3AsO4H＋＋H2AsO

。

（2）“一级沉砷”中FeSO4的作用是除去过量的S2－，使As2S3＋3S2－2AsS

平衡逆向进行，提高沉砷效果；“二级沉砷”中H2O2与含砷物质发生氧化还原反应，亚砷酸被氧化为砷酸，反应的化学方程式为H3AsO3＋H2O2===H3AsO4＋H2O。

（3）分析流程可知，加入CaO和水反应生成Ca（OH）2，Ca（OH）2和砷酸反应生成Ca3（AsO4）2沉淀、和Fe3＋反应生成Fe（OH）3沉淀，Ca2＋结合SO

形成CaSO4沉淀，所以沉淀X为CaSO4。

（4）AsH3和NH3分子结构相同为共价化合物，砷原子和三个氢原子形成三个As—H键，电子式为

。

（5）将AsH3气体通入AgNO3溶液中，生成银镜和As2O3，结合电荷守恒、原子守恒配平离子方程式：

12Ag＋＋2AsH3＋3H2O===12Ag↓＋As2O3＋12H＋。

（6）As的最低检出限为3.0×10－6g，取1g废渣样品，重复上述实验，未见银镜生成，取10g废渣样品最后生成银镜和As2O3。

则10g废渣含砷量最少为3.0×10－6g，含砷量为

×1000g·kg－1＝3.0×10－4g·kg－1＞4.0×10一5g·kg－1，不符合排放标准。

答案：

（1）＋3　H3AsO4H＋＋H2AsO

（2）沉淀过量的S2－，使As2O3（s）＋3S2－（aq）2AsS

（aq）平衡左移，提高沉砷效果

H3AsO3＋H2O2===H3AsO4＋H2O

（3）CaSO4　（4）

（5）12Ag＋＋2AsH3＋3H2O===12Ag＋As2O3＋12H＋

（6）不符合　因为该废渣砷含量最少为（

）×1000g·kg－1＝3.0×10－4g·kg－1，大于排放标准4.0×10－5g·kg－1

3．稀土元素的物理性质和化学性质极为相似，常见化合价为＋3价。

在合金中加入适量稀土金属，能大大改善合金的性能，所以稀土元素又被称为冶金工业的维生素。

其中钇（Y）元素是激光和超导的重要材料。

我国蕴藏着丰富的含钇矿石（Y2FeBe2Si2O10），工业上通过如下生产流程可获得氧化钇。

已知：

①有关金属离子形成氢氧化物沉淀时的pH如下表：

开始沉淀时的pH

完全沉淀时的pH

Fe3＋

2.7

3.7

Y3＋

6.0

8.2

②在元素周期表中，铍元素和铝元素处于第二周期和第三周期的对角线位置，化学性质相似。

请回答下列问题：

（1）写出钇矿石与氢氧化钠共熔时的化学方程式：

________________________________________________________________________。

（2）欲从Na2SiO3和Na2BeO2的混合溶液中制得Be（OH）2沉淀。

则

①最好选用盐酸和________两种试剂，再通过必要的操作即可实现。

（填字母）

a．NaOH溶液　b．氨水　　c．CO2　d．HNO3

②写出Na2BeO2与足量盐酸发生反应的离子方程式：

________________________________________________________________________。

（3）已知10－2.7＝2×10－3、10－3.7＝2×10－4，则25℃时，反应Fe3＋＋3H2OFe（OH）3＋3H＋的平衡常数K＝____________；如何检验Fe3＋是否沉淀完全________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

（回答操作方法，不需设计所用仪器）。

（4）①写出生成草酸钇沉淀的化学方程式：

______________________________

________________________________________________________________________。

②若H2C2O4和湿润的KClO3混合加热到60℃可制得国际公认的高效含氯消毒剂ClO2，反应中氧化剂和氧化产物的物质的量之比为________；在热水中ClO2会发生反应生成Cl2和HClO2，写出反应的化学方程式：

__________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）根据流程图可知钇矿石（Y2FeBe2Si2O10）与氢氧化钠共熔后水溶解以及过滤后的滤液和滤渣成分分别为Na2SiO3、Na2BeO2、Y（OH）3、Fe2O3，则共熔时发生反应的化学方程式为4Y2FeBe2Si2O10＋32NaOH＋O2===8Y（OH）3＋2Fe2O3＋8Na2SiO3＋8Na2BeO2＋4H2O。

（2）①欲从Na2SiO3和Na2BeO2的混合溶液中制得Be（OH）2沉淀，则根据Na2BeO2的性质和NaAlO2类比推断：

加过量的盐酸，Na2SiO3反应生成硅酸沉淀，Na2BeO2则反应生成氯化铍溶液，再加入过量氨水沉淀Be2＋。

②Na2BeO2与足量盐酸发生反应生成氯化铍，其反应的离子方程式为BeO

＋4H＋===Be2＋＋2H2O。

（3）当开始沉淀时为建立水解平衡，pH＝2.7，则c（H＋）＝10－2.7mol·L－1，反应Fe3＋＋3H2OFe（OH）3＋3H＋的平衡常数K＝

＝

≈8×10－4；取少量滤液，滴加几滴KSCN溶液，观察溶液是否变为红色，若观察不到红色，则说明Fe3＋沉淀完全。

（4）①草酸与Y（OH）3反应生成草酸钇沉淀的化学方程式为2Y（OH）3（s）＋3H2C2O4（aq）===Y2（C2O4）3（s）＋6H2O（l）。

②H2C2O4和KClO3混合加热到60℃可制得ClO2，反应方程式为H2C2O4＋2KClO3===2ClO2＋CO2＋K2CO3＋H2O，其中KClO3是氧化剂，CO2和K2CO3是氧化产物，则氧化剂和氧化产物的物质的量之比为1∶1；在热水中ClO2会发生反应生成Cl2和HClO2，其反应的化学方程式为6ClO2＋2H2O===Cl2＋4HClO2＋3O2。

答案：

（1）4Y2FeBe2Si2O10＋32NaOH＋O2===8Y（OH）3＋2Fe2O3＋8Na2SiO3＋8Na2BeO2＋4H2O

（2）①b　②BeO

＋4H＋===Be2＋＋2H2O

（3）8×10－4　取少量滤液，滴加几滴KSCN溶液，观察溶液是否变为红色，若观察不到红色，则说明Fe3＋沉淀完全（说明：

用NaOH溶液鉴别不得分）

（4）①2Y（OH）3（s）＋3H2C2O4（aq）===Y2（C2O4）3（s）＋6H2O（l）

②1∶1　6ClO2＋2H2O===Cl2＋4HClO2＋3O2

4．硒（Se）和碲（Te）有许多优良性能，被广泛用于冶金、化工、医药卫生等领域。

工业上以铜阳极泥（含有Cu、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te等）为原料制备硒和碲的一种生产工艺如下图所示：

已知：

“酸浸”过程中TeO2与硫酸反应生成TeOSO4。

（1）焙烧时通入氧气使铜阳极泥沸腾，目的是__________________________

________________________________________________________________________。

（2）SeO2与SO2的混合烟气可用水吸收制得单质Se，该反应中氧化产物与还原产物的物质的量之比为________。

已知25℃时，亚硒酸（H2SeO3）的Ka1＝2.5×10－3，Ka2＝2.6×10－7，NaHSeO3溶液的pH________7（填“>”“<”或“＝”），理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）“浸出液”的溶质成分除了TeOSO4外，还有________，上述整个流程中可以循环使用的物质是_____________________________________________________________。

（4）“还原”步骤中生成Te的化学方程式为________________；Te也可以通过碱性环境下电解Na2TeO3溶液获得，其阴极的电极反应式为________________________________________________________________________。

（5）粗硒中硒的含量可用如下方法测定：

①Se＋2H2SO4（浓）===2SO2↑＋SeO2＋2H2O；

②SeO2＋4KI＋4HNO3===Se＋2I2＋4KNO3＋2H2O；

③I2＋2Na2S2O3===Na2S4O6＋2NaI。

通过用Na2S2O3标准溶液滴定反应②中生成的I2来计算硒的含量。

实验中准确称量0.1200g粗硒样品，滴定中消耗0.2000mol·L－1Na2S2O3溶液24.00mL，则粗硒样品中硒的质量分数为______________。

解析：

（1）阳极泥沸腾时与O2接触面积加大，加快反应速率。

（2）SeO2与SO2的混合烟气可用水吸收制得单质Se，反应的化学方程式为SeO2＋2SO2＋2H2O===Se＋2H2SO4，氧化产物是H2SO4、还原产物是Se，氧化产物与还原产物的物质的量之比为2∶1；HSeO

的水解常数Kb＝

＝

＝4.0×10－12，HSeO

的电离平衡常数为2.6×10－7，电离大于水解，所以NaHSeO3溶液的pH<7。

（3）根据元素守恒，“浸出液”的溶质成分除了TeOSO4外，还有CuSO4；整个流程中可以循环使用的物质是H2SO4。

（4）“还原”步骤中SO2与TeOSO4反应生成Te的化学方程式为2SO2＋TeOSO4＋3H2O===Te＋3H2SO4；Na2TeO3生成Te发生还原反应，阴极TeO

得电子生成Te，阴极反应式为TeO

＋3H2O＋4e－===Te＋6OH－。

（5）设Se的质量为x，根据关系式：

4Na2S2O3　～　2I2　～　SeO2　～　Se

4mol79g

0.024L×0.2000mol·L－1x

x＝0.0948g

则粗硒样品中硒的质量分数为

×100%＝79%。

答案：

（1）增大氧气与铜阳极泥的接触面积，加快反应速率

（2）2∶1　<　HSeO

的水解常数Kb＝

＝

＝4.0×10－12，由于Kb

（3）CuSO4　H2SO4

（4）2SO2＋TeOSO4＋3H2O===Te＋3H2SO4

TeO

＋3H2O＋4e－===Te＋6OH－

（5）79%

5．CoCl2·6H2O是一种饲料营养强化剂。

一种利用水钴矿[主要成分为Co2O3、Co（OH）3，还含有少量Fe2O3、Al2O3、MnO等]制取CoCl2·6H2O的工艺流程如下：

已知：

①浸出液含有的阳离子主要有H＋、Co2＋、Fe2＋、Mn2＋、Al3＋等；

②部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：

（金属离子浓度为0.01mol·L－1）

沉淀物

Fe（OH）3

Fe（OH）2

Co（OH）2

Al（OH）3

Mn（OH）2

开始沉淀

2.7

7.6

7.6

4.0

7.7

完全沉淀

3.7

9.6

9.2

5.2

9.8

③CoCl2·6H2O熔点为86℃，加热至110～120℃时，失去结晶水生成无水氯化钴。

回答下列问题：

（1）写出浸出过程中Co2O3发生反应的离子方程式：

________________________________________________________________________。

（2）写出NaClO3发生反应的主要离子方程式：

____________________________

________________________；若不慎向“浸出液”中加过量NaClO3时，可能会生成有毒气体，写出生成该有毒气体的离子方程式：

________________________________。

（3）“加Na2CO3调pH至a”，过滤所得到的沉淀成分为________________________。

（4）“操作1”中包含3个基本实验操作，它们依次是________________、________________和过滤。

制得的CoCl2·6H2O在烘干时需减压烘干的原因是________________________________________________________________________

________________________。

（5）萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系如图。

向“滤液”中加入萃取剂的目的是________________；其使用的最佳pH范围是________（填字母）。

A．2.0～2.5　　　　　　　B．3.0～3.5

C．4.0～4.5D．5.0～5.5

（6）为测定粗产品中CoCl2·6H2O含量，称取一定质量的粗产品溶于水，加入足量AgNO3溶液，过滤、洗涤，将沉淀烘干后称其质量。

通过计算发现粗产品中CoCl2·6H2O的质量分数大于100%，其原因可能是___________________________________（答一条即可）。

解析：

（1）Co2O3和Na2SO3在酸性条件下发生氧化还原反应，根据电荷守恒和得失电子守恒，反应的离子方程式为Co2O3＋SO

＋4H＋===2Co2＋＋SO

＋2H2O。

（2）NaClO3的作用是将Fe2＋氧化成Fe3＋，其反应的离子方程式为ClO

＋6Fe2＋＋6H＋===Cl－＋6Fe3＋＋3H2O；在酸性条件下，NaClO3与Cl－发生氧化还原反应生成Cl2，其反应的离子方程式为ClO

＋5Cl－＋6H＋===3Cl2↑＋3H2O。

（3）加Na2CO3调pH至a，Al3＋与CO

互相促进水解的离子方程式为2Al3＋＋3CO

＋3H2O===2Al（OH）3↓＋3CO2↑；Fe3＋与CO

互相促进水解的离子方程式为2Fe3＋＋3CO

＋3H2O===2Fe（OH）3↓＋3CO2↑，所以沉淀成分为Fe（OH）3、Al（OH）3。

（4）利用从溶液中制取固体的方法制取氯化钴固体，其操作步骤为蒸发浓缩、冷却结晶和过滤；因为CoCl2·6H2O加热至110～120℃时，失去结晶水，所以烘干时应减压降温。

（5）根据流程图可知，此时溶液中存在Mn2＋、Co2＋金属离子；由萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系可知，调节溶液pH在3.0～3.5之间，可使Mn2＋完全沉淀，并防止Co2＋转化为Co（OH）2沉淀。

（6）根据CoCl2·6H2O的组成分析，造成产品中CoCl2·6H2O的质量分数大于100%的原因可能是含有杂质导致氯离子含量变大或结晶水化物失去部分水，导致相同质量的固体中氯离子含量变大。

答案：

（1）Co2O3＋SO

＋4H＋===2Co2＋＋SO

＋2H2O

（2）ClO

＋6Fe2＋＋6H＋===Cl－＋6Fe3＋＋3H2O　ClO

＋5Cl－＋6H＋===3Cl2↑＋3H2O

（3）Fe（OH）3、Al（OH）3

（4）蒸发浓缩　冷却结晶　降低烘干温度，防止产品分解

（5）除去溶液中的Mn2＋　B

（6）粗产品含有可溶性氯化物（或晶体失去了部分结晶水）

6．钪及其化合物具有许多优良的性能，在宇航、电子、超导等方面有着广泛的应用。

从钛白工业废酸（含钪、钛、铁、锰等离子）中提取氧化钪（Sc2O3）的一种流程如下：

回答下列问题：

（1）洗涤“油相”可除去大量的钛离子。

洗涤水是用93%的硫酸、27.5%的双氧水和水按一定比例混合而成。

混合的实验操作是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）先加入氨水调节pH