高考化学考点剖析13化工流程中铁化合物的处理解析版.docx

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高考化学考点剖析13化工流程中铁化合物的处理解析版

考点13化工流程中铁化合物的处理

1.（2019全国Ⅲ卷）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（Mn+）=0.1mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

金属离子

Mn2+

Fe2+

Fe3+

Al3+

Mg2+

Zn2+

Ni2+

开始沉淀的pH

8.1

6.3

1.5

3.4

8.9

6.2

6.9

沉淀完全的pH

10.1

8.3

2.8

4.7

10.9

8.2

8.9

（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的作用是将________________________。

（3）“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为_______~6之间。

（4）“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“滤渣3”的主要成分是______________。

（5）“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。

若溶液酸度过高，Mg2+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（不溶性硅酸盐）

（2）.MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O（3）.将Fe2+氧化为Fe3+（4）.4.7（5）.NiS和ZnS（6）.F−与H+结合形成弱电解质HF，MgF2

Mg2++2F−平衡向右移动（7）.Mn2++2

=MnCO3↓+CO2↑+H2O（8）.

【解析】

（1）Si元素以SiO2或不溶性硅盐存在，SiO2与硫酸不反应，所以滤渣I中除了S还有SiO2；在硫酸的溶浸过程中，二氧化锰和硫化锰发生了氧化还原反应，二氧化锰作氧化剂，硫化锰作还原剂，方程式为：

MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O；

（2）二氧化锰作为氧化剂，使得MnS反应完全，且将溶液中Fe2+氧化为Fe3+；

（3）由表中数据知pH在4.7时，Fe3+和Al3+沉淀完全，所以应该控制pH在4.7~6之间；

（4）根据题干信息，加入Na2S除杂为了出去锌离子和镍离子，所以滤渣3是生成的沉淀ZnS和NiS；

（5）由HF

H++F-知，酸度过大，F-浓度减低，使得MgF2

Mg2++2F-平衡向沉淀溶解方向移动，Mg2+沉淀不完全；

（6）根据题干信息沉锰的过程是生成了MnCO3沉淀，所以反应离子方程式为：

Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O；

（7）根据化合物中各元素化合价代数和为0的规律得：

1+2x+3y+4z=6，已知，x=y=1/3，带入计算得：

z=1/3

2.（2019江苏）聚合硫酸铁[Fe2（OH）6-2n（SO4）n]m广泛用于水的净化。

以FeSO4·7H2O为原料，经溶解、氧化、水解聚合等步骤，可制备聚合硫酸铁。

（1）将一定量的FeSO4·7H2O溶于稀硫酸，在约70℃下边搅拌边缓慢加入一定量的H2O2溶液，继续反应一段时间，得到红棕色黏稠液体。

H2O2氧化Fe2+的离子方程式为________；水解聚合反应会导致溶液的pH________。

（2）测定聚合硫酸铁样品中铁的质量分数：

准确称取液态样品3.000g，置于250mL锥形瓶中，加入适量稀盐酸，加热，滴加稍过量的SnCl2溶液（Sn2+将Fe3+还原为Fe2+），充分反应后，除去过量的Sn2+。

用5.000×10−2mol·L−1K2Cr2O7溶液滴定至终点（滴定过程中

与Fe2+反应生成Cr3+和Fe3+），消耗K2Cr2O7溶液22.00mL。

①上述实验中若不除去过量的Sn2+，样品中铁的质量分数的测定结果将________（填“偏大”或“偏小”或“无影响”）。

②计算该样品中铁的质量分数（写出计算过程）_____。

【答案】

（1）.2Fe2++H2O2+2H+

2Fe3++2H2O

（2）.减小（3）.偏大（4）.12.32%（过程见解析）

【解析】

（1）Fe2+具有还原性，在溶液中被氧化成Fe3+，H2O2具有氧化性，其还原产物为H2O，根据得失电子守恒可写出反应2Fe2++H2O2→2Fe3++2H2O，根据溶液呈酸性、结合原子守恒和电荷守恒，H2O2氧化Fe2+的离子方程式为2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O；H2O2氧化后的溶液为Fe2（SO4）3溶液，Fe2（SO4）3发生水解反应Fe2（SO4）3+（6-2n）H2O

Fe2（OH）6-2n（SO4）n+（3-n）H2SO4，Fe2（OH）6-2n（SO4）n聚合得到聚合硫酸铁，根据水解方程式知水解聚合反应会导致溶液的酸性增强，pH减小。

答案：

2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O减小

（2）①根据题意，Sn2+能将Fe3+还原为Fe2+，发生的反应为Sn2++2Fe3+=Sn4++2Fe2+，根据还原性：

还原剂>还原产物，则还原性Sn2+>Fe2+，实验中若不除去过量的Sn2+，则加入的K2Cr2O7先氧化过量的Sn2+再氧化Fe2+，导致消耗的K2Cr2O7溶液的体积偏大，则样品中铁的质量分数的测定结果将偏大。

答案：

偏大

②实验过程中消耗的n（Cr2O72-）=5.000×10-2mol/L×22.00mL×10-3L/mL=1.100×10-3mol

由滴定时Cr2O72-→Cr3+和Fe2+→Fe3+，根据电子得失守恒，可得微粒的关系式：

Cr2O72-~6Fe2+（或Cr2O72-+6Fe2++14H+=6Fe3++2Cr3++7H2O）

则n（Fe2+）=6n（Cr2O72-）=6×1.100×10-3mol=6.6×10-3mol

（根据Fe守恒）样品中铁元素的质量：

m（Fe）=6.6×10-3mol×56g/mol=0.3696g

样品中铁元素的质量分数：

ω（Fe）=

×100%=12.32%。

只要是化工流程中铁杂质除去，一般都是先氧化为Fe3+，最好的氧化剂是绿色氧化剂H2O2，也可以选用HNO3、Cl2、NaClO、NaClO3、MnO4-等，根据题目中的条件确定；氧化后根据铁离子水解，使其转化为沉淀，一般调节pH≤2.8，调节pH可以加碱，也可以根据题目占的条件加相应的金属氧化物、难溶的氢氧化物、或难溶的碳酸盐。

典例1（安徽省皖中名校联盟2019届高三10月联考）钛（22Ti）由于其特殊的性能被誉为“未来世纪的金属”。

钛铁矿主要成分为FeTiO3（含有少量MgO、SiO2等杂质），Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿来制备，工艺流程如下：

（1）Ti位于元素周期表中的位置为________。

钛铁矿在预处理时需要进行粉碎，其原因是_______。

（2）过程①中，铁的浸出率结果如图所示。

由图可知，当铁的浸出率为80%时，所采用的实验条件是_________。

（3）过程②中固体TiO2与双氧水、氨水反应转化成（NH4）2Ti5O15溶液时，Ti元素的浸出率与反应温度的关系如图所示，反应温度过高时，Ti元素浸出率下降的原因是___________。

（4）写出由滤液D生成FePO4的离子方程式____________________________________。

（5）由流程图可知FePO4制备LiFePO4的化学方程式是_________________________。

【答案】第四周期IVB增大反应物接触面积，加快反应速率100℃3小时温度过高，双氧水分解与氨气逸出导致Ti元素浸出率下降2Fe2++H2O2+2H3PO4==2FePO4+4H++2H2O2FePO4+Li2CO3+H2C2O4

2LiFePO4+3CO2↑+H2O

【解析】

（1）Ti的原子序数为22，处于第四周期第ⅣB族。

钛铁矿在预处理时进行粉碎，增大了与盐酸的接触面积，可以加快反应速率。

（2）由图中三条曲线可得，当铁的浸出率为80%时，应为100℃、约浸取3小时。

（3）由于二氧化钛与氨水、双氧水反应生成（NH4）2Ti5O15时，温度过高，双氧水和氨水都容易分解（双氧水分解与氨气逸出），所以反应温度过高时，Ti元素浸出率下降。

（4）由流程可得，滤液D含有Fe2+，与H2O2、H3PO4反应，生成FePO4，离子方程式为：

2Fe2++H2O2+2H3PO4=2FePO4+4H++2H2O。

（5）由流程图可知FePO4与H2C2O4、Li2CO3高温煅烧发生反应生成LiFePO4，铁的化合价降低，FePO4应为氧化剂，所以H2C2O4应为还原剂，故化学方程式为：

2FePO4+Li2CO3+H2C2O4

2LiFePO4+3CO2↑+H2O。

典例2（安徽省安庆市第一中学2017届高三第三次模拟）某化学兴趣小组利用工业废弃固体（主要成分为Cu2S和FeS2）制备硫酸铜溶液和硫酸亚铁晶体，设计方案如图所示：

已知:

T℃时,Ksp[Cu（OH）2]=2.0×10−20，Ksp[Fe（OH）2]=6.0×10−16，

Ksp[Fe（OH）3]=1.0×10−38。

（1）为了提高废弃固体的灼烧速率，可以采取的措施有____________、___________（写出两条）。

（2）FeS2在空气中灼烧时氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。

（3）溶液C在氮气的环境下，通过____________、____________、过滤、洗涤、干燥制取硫酸亚铁晶体。

（4）常温下，固体D、O2和稀硫酸混合后几乎不反应，但加入少量溶液C立即发生反应，则溶液C对该反应起________作用，其中发生反应的离子方程式为_____________、__________________。

（5）除杂时先加入双氧水，然后加入试剂Z调节溶液的pH值使铁离子完全沉淀：

①加入的试剂Z可以是________。

A．NaOHB．CuOC．Cu（OH）2D．NH3·H2O

②若除杂时溶液中Cu2+浓度为2.0mol·L−1，则加入试剂Z调节溶液的pH至___________。

【答案】将废弃固体粉碎成细小的颗粒通入氧气11:

4蒸发浓缩冷却结晶催化4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2OCu+2Fe3+=2Fe2++Cu2+BC3≤pH＜4

【解析】工业废弃固体（主要成分为Cu2S和FeS2）灼烧得CuO、Fe2O3、SO2，，所以E为SO2，固体A为CuO、Fe2O3的混合物，A中加入H2SO4溶解，再加入过量的铁粉，得FeSO4溶液和铜固体，过滤后得C为FeSO4溶液，固体B为铁和铜的混合物，B中加入稀H2SO4得FeSO4溶液和铜，所以固体D为Cu，FeSO4溶液，通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥制取硫酸亚铁晶体。

铜与稀H2SO4，再通入O2除杂后得CuSO4溶液。

（1）为了提高废弃固体的灼烧速率，可以采取的措施有将废弃固体粉碎成细小的颗粒；

（2）4FeS2＋11O2=2Fe2O3＋8SO2，FeS2在空气中灼烧时氧化剂与还原剂的物质的量之比为11：

4；（3）溶液C在氮气的环境下，通过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥制取硫酸亚铁晶体。

（4）常温下，固体Cu、O2和稀硫酸混合后几乎不反应，但加入少量溶液FeSO4立即发生反应，则溶液FeSO4对该反应起催化作用，反应如下：

4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O、Cu+2Fe3+=2Fe2++Cu2+；（5）除杂时先加入双氧水，将Fe2＋氧化为Fe3＋，然后加入试剂Z调节溶液的pH值使铁离子完全沉淀：

3Fe3＋＋3H2O

3Fe（OH）3＋3H＋，所加Z要能与H＋反应，且不引入Cu2＋以外的其它离子，CuO和Cu（OH）2符合要求，故选BC。

②若除杂时溶液中Cu2+浓度为2.0mol·L−1，由Ksp[Cu（OH）2]=2.0×10−20，Cu2＋开始沉淀时，c（Cu2＋）=2mol·L－1，如果生成Cu（OH）2沉淀，则应有c（OH－）≥

mol/L，即PH<4；Fe3＋浓度小于10-5mol/L认为溶液完全，

=1.0×10−38，

，

，PH≥3,则加入试剂Z调节溶液的pH至3≤pH＜4。

1．（广西桂林市第十八中学2019届高三上学期第一次月考）已知蓝铜矿的主要成分是2CuCO3·Cu（OH）2，受热易分解。

铝土矿的主要成分是Al2O3、Fe2O3、SiO2。

已知:

NaAlO2+CO2+H2O=Al（OH）3↓+NaHCO3，根据下列框图转化回答问题：

（1）写出②的离子方程式：

_________________________、_______________。

（2）沉淀a、c化学成分分别是：

___________________、_________________________

（3）请写出检验沉淀b中所含有阳离子的实验方法______________________________。

（4）洗涤沉淀c的实验操作方法是_________________________；加热沉淀c应放在___________（容器）中进行。

（5）经过④、⑤步反应得到铜和金属铝，写出反应的化学方程式：

____________________、___________________________。

【答案】Al3++4OH—=AlO2—+2H2OFe3++3OH—=Fe（OH）3↓SiO2Al（OH）3取沉淀少量于一支洁净的试管中，加入少量盐酸，然后再往试管中加入几滴的KSCN溶液，发现试管内呈现红色向漏斗内的沉淀上加入一定量的蒸馏水，没过沉淀，待水自然流下，重复数2—3次坩埚2（2CuCO3·Cu（OH）2）+3C

6Cu+7CO2↑+2H2O2Al2O3

4Al+3O2↑

【解析】

（1）反应②是氢氧化钠溶液和氯化铝溶液反应生成偏铝酸钠，反应的离子方程式为：

Al3++4OH-=AlO2-+2H2O，氢氧化钠溶液和氯化铁反应生成氢氧化铁沉淀，反应的离子方程式为：

Fe3++3OH-=Fe（OH）3↓，故答案为：

Al3++4OH-=AlO2-+2H2O、Fe3++3OH-=Fe（OH）3↓；

（2）由上述分析可知a为二氧化硅化学式为SiO2，c为氢氧化铝化学式为Al（OH）3，故答案为：

SiO2；Al（OH）3；（3）洗涤沉淀c的实验操作方法是：

在漏斗内的沉淀上加入一定量的蒸馏水，没过沉淀，待水自然流下，重复数次，固体物质灼烧一般在坩埚中进行，故答案为：

在漏斗内的沉淀上加入一定量的蒸馏水，没过沉淀，待水自然流下，重复数次；坩埚；（4）蓝铜矿与木炭反应的方程式为：

2（2CuCO3·Cu（OH）2）+3C

6Cu+7CO2↑+2H2O，电解熔融氧化铝得到铝和氧气反应的化学方程式为：

2Al2O3

4Al+3O2↑，故答案为：

2（2CuCO3·Cu（OH）2）+3C

6Cu+7CO2↑+2H2O、2Al2O3

4Al+3O2↑。

2．（天津市和平区2018届第二学期高三第二次质量调查）铁及其化合物在日常生活中有广泛应用。

（1）写出铁元索在周期表中的位置__________。

（2） 写出在空气中Fe（OH）2转化为Fe（OH）3的化学方程式____________。

（3）绿矾（FeSO4·7H2O）是补血剂的原料，易变质。

①由FeSO4溶液制得FeSO4·7H2O过程中的操作有______、过滤、洗涤、干燥。

②检验绿矾是否变质的试剂是________。

（4）利用绿矾制备还原铁粉的工业流程如下:

①干燥过程主要是为了脱去游离水和结晶水，过程中会有少量FeCO3·nH2O在空气中被氧化为FeOOH,该反应的化学方程式为_______________。

②取干燥后的FeCO3样品12.49g，焙烧，最终得到还原铁粉6.16g，计算样品中杂质FeOOH的质量___________。

（5）以羰基化合物为载体运用化学平衡移动原理分离、提纯某纳米级活性铁粉（含有一些不反应的杂质），反应装置如下图。

Fe（s）+5CO（g）

Fe（CO）5（g） △H<0，T1___ T2（填“>”、“<”或“=”）。

【答案】第四周期第Ⅷ族4Fe（OH）2+O2+2H2O==4Fe（OH）3蒸发浓缩、冷却结晶KSCN溶液4FeCO3·nH2O+O2=4FeOOH +4CO2+（4n-2）H2O0.89g<

【解析】

（1）铁的核电荷数为26，核外电子排布为1s22s22p63s23p63d64s2,位于周期表中第四周期第Ⅷ族；正确答案：

第四周期第Ⅷ族。

（2） Fe（OH）2与空气中的氧气、水共同反应生成Fe（OH）3，化学方程式为：

4Fe（OH）2+O2+2H2O==4Fe（OH）3；正确答案：

4Fe（OH）2+O2+2H2O==4Fe（OH）3。

（3）①由FeSO4溶液先进行加热浓缩，变为浓溶液，然后冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等操作，制得FeSO4·7H2O；正确答案：

蒸发浓缩、冷却结晶。

②亚铁离子还原性较强，易被氧化为铁离子；因此检验绿矾是否变质，就是要检验铁离子的存在，可以用硫氰化钾溶液，若出现红色溶液，则有铁离子存在，绿矾（FeSO4·7H2O）已变质；正确答案：

KSCN溶液。

（4）①干燥过程主要是为了脱去游离水和结晶水,过程中会有少量FeCO3·nH2O被空气氧化为FeOOH,根据氧化还原反应的电子守恒和原子守恒规律,化学方程式为:

4FeCO3·nH2O+O2=4FeOOH +4CO2+（4n-2）H2O；正确答案：

4FeCO3·nH2O+O2=4FeOOH +4CO2+（4n-2）H2O。

②设样品中FeCO3的物质的量为xmol,FeOOH的物质的量为ymol,则根据质量守恒和铁原子的量守恒列方程如下：

116x+89y=12.49，x+y=6.16/56=0.11，解之得y=0.01mol，样品中杂质FeOOH的质量为0.01×89=0.89g,正确答案：

0.89g。

（5）反应Fe（s）+5CO（g）

Fe（CO）5，△H<0，铁粉和一氧化碳化合成羰基合铁时放出热量,低温有利于合成易挥发的羰基合铁,羰基合铁易挥发，杂质残留在玻璃管左端；当羰基合铁挥发到较高温度区域T2时,羰基合铁分解,纯铁粉残留在右端，一氧化碳循环利用，所以T1

<。

3．（安徽省六安市第一中学2018届高三下学期第三次模拟考试）氰化钾K4Fe（CN）6俗名黄血盐，可溶于水，不溶于乙醇。

以某电镀厂排放的含NaCN度液为主要原料制备黄血盐的流程如下：

请回答下列问题：

（1）常温下，HCN的电离常数Ka=62×10-10。

①实验室配制一定浓度的NaCN溶液时，将NaCN溶解于一定浓度的NaOH溶液中，加水稀释至指定浓度，其操作的目的是__________________________。

②浓度均为0.5mol/L的NaCN和HCN的混合溶液显___________（填“酸”“碱”或“中”）性，通过计算说明：

_________________________。

（2）转化池中发生复分解反应生成K4Fe（CN）6，说明该反应能发生的理由：

_______。

（3）系列操作B为_____________________。

（4）实验室中，K4Fe（CN）6可用于检验Fe3+，生成的难溶盐KFe[Fe（CN）6]可用于治疗Tl2SO4中毒，试写出上述治疗Tl2SO4中毒的离子方程式：

______________________。

（5）一种太阳能电池的工作原理如图所示，电解质为铁氰化钾K3Fe（CN）6和亚铁氰化钾K4Fe（CN）6的混合溶液。

①K+移向催化剂___________（填“a”或“b”）。

②催化剂a表面发生的反应为_____________________。

【答案】抑制水解碱即水解平衡常数大于电离平衡常数，所以溶液呈碱性相同温度下K4Fe（CN）6的溶解度小于Na4Fe（CN）6过滤、洗涤、干燥KFe[Fc（CN）6]（s）+Tl+（aq）=TlFe[Fe（CN）6]（s）+K+（aq）bFe（CN）64—e-=Fe（CN）63-

【解析】

（1）①实验室配制一定浓度的NaCN溶液时，将NaCN 溶解于一定浓度的NaOH溶液中，加水稀释至指定浓度，其操作的目的是抑制水解;②根据Kh=

可知，Kh=

=

=

=

=1.6×10-5>6.2×10-10，即水解平衡常数大于电离平衡常数，所以溶液呈碱性；

（2）相同温度下K4Fe（CN）6的溶解度小于Na4Fe（CN）6，转化池中发生复分解反应Na4Fe（CN）6+4KCl=K4Fe（CN）6↓+4NaCl生成K4Fe（CN）6；（3）转化池中得到固体与溶液的混合物，故系列操作B为过滤、洗涤、干燥；（4）实验室中，K4Fe（CN）6可用于检验Fe3+，生成的难溶盐KFe[Fe（CN）6]可用于治疗Tl2SO4中毒，治疗Tl2SO4中毒的离子方程式：

KFe[Fc（CN）6]（s）+Tl+（aq）=TlFe[Fe（CN）6]（s）+K+（aq）；（5）由图可知，电子从负极流向正极，则a为负极，b为正极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，阳离子向正极移动。

①b为正极，则K+移向催化剂b，故填b；②a为负极，发生氧化反应，则催化剂a表面发生反应：

Fe（CN）64--e-═Fe（CN）63-，故答案为：

Fe（CN）64--e-═Fe（CN）63-。

点睛：

本题考查物质的制备实验方案的设计，侧重于学生的分析能力、实验能力和计算能力的考查，为高考常见题型，注意根据流程图把握实验的原理和操作方法，易错点为

（2）相同温度下K4Fe（CN）6的溶解度小于Na4Fe（CN）6，转化池中发生复分解反应Na4Fe（CN）6+4KCl=K4Fe（CN）6↓+4NaCl生成K4Fe（CN）6。

4．（北京市房山区2018届高三4月模拟一模）钛铁矿主要成分为FeTiO3（含有少量MgO、SiO2等杂质），Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿来制备，工艺流程如下：

（1）钛铁矿在预处理时需要进行粉碎，其原因是___________________。

（2）过程①中反应的离子方程式是：

FeTiO3+4H++4Cl－==Fe2++TiOCl42－+2H2O、_______。

（3）过程①中，铁的浸出率结果如图1所示。

由图可知，当铁的浸出率为80%时，所采用的实验条件是___________________。

（4）过程②中固体TiO2与双氧水、