高考化学 难点剖析 专题09 氧化还原反应在化工流程中的考查讲解.docx
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高考化学难点剖析专题09氧化还原反应在化工流程中的考查讲解
专题09氧化还原反应在化工流程中的考查
一、高考题再现
1.(2018课标Ⅰ)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。
回答下列问题:
(1)生产Na2S2O5,通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。
写出该过程的化学方程式__________。
(2)利用烟道气中的SO2生产Na2S2O5的工艺为:
①pH=4.1时,Ⅰ中为__________溶液(写化学式)。
②工艺中加入Na2CO3固体、并再次充入SO2的目的是__________。
(3)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。
阳极的电极反应式为_____________。
电解后,__________室的NaHSO3浓度增加。
将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。
(4)Na2S2O5可用作食品的抗氧化剂。
在测定某葡萄酒中Na2S2O5残留量时,取50.00mL葡萄酒样品,用0.01000mol·L−1的碘标准液滴定至终点,消耗10.00mL。
滴定反应的离子方程式为_____________,该样品中Na2S2O5的残留量为____________g·L−1(以SO2计)。
【答案】2NaHSO3=Na2S2O5+H2ONaHSO3得到NaHSO3过饱和溶液2H2O-4e-=4H++O2↑aS2O52-+2I2+3H2O=2SO42-+4I-+6H+0.128
②要制备焦亚硫酸钠,需要制备亚硫酸氢钠过饱和溶液,因此工艺中加入碳酸钠固体、并再次充入二氧化硫的目的是得到NaHSO3过饱和溶液;
(3)阳极发生失去电子的氧化反应,阳极区是稀硫酸,氢氧根放电,则电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑。
阳极区氢离子增大,通过阳离子交换膜进入a室与亚硫酸钠结合生成亚硫酸钠。
阴极是氢离子放电,氢氧根浓度增大,与亚硫酸氢钠反应生成亚硫酸钠,所以电解后a室中亚硫酸氢钠的浓度增大。
(4)单质碘具有氧化性,能把焦亚硫酸钠氧化为硫酸钠,反应的方程式为S2O52-+2I2+3H2O=2SO42-+4I-+6H+;消耗碘的物质的量是0.0001mol,所以焦亚硫酸钠的残留量(以SO2计)是
。
2.(2018课标Ⅱ)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家,一种以闪锌矿(ZnS,含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图所示:
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
Fe3+
Fe2+
Zn2+
Cd2+
开始沉淀的pH
1.5
6.3
6.2
7.4
沉淀完全的pH
2.8
8.3
8.2
9.4
回答下列问题:
(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为_______________________。
(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有___________;氧化除杂工序中ZnO的作用是____________,若不通入氧气,其后果是________________。
(3)溶液中的Cd2+可用锌粉除去,还原除杂工序中反应的离子方程式为_________________。
(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时,阴极的电极反应式为______________;沉积锌后的电解液可返回_______工序继续使用。
【答案】ZnS+
O2
ZnO+SO2PbSO4调节溶液的pH无法除去杂质Fe2+Zn+Cd2+
Zn2++CdZn2++2e-
Zn溶浸
【解析】
(1)由于闪锌矿的主要成分是ZnS,因此焙烧过程中主要反应的化学方程式为2ZnS+3O2
2ZnO+2SO2。
(2)由于硫酸铅不溶于水,因此滤渣1的主要成分除SiO2外还有PbSO4;要测定铁离子,需要调节溶液的pH,又因为不能引入新杂质,所以需要利用氧化锌调节pH,即氧化除杂工序中ZnO的作用是调节溶液的pH。
根据表中数据可知沉淀亚铁离子的pH较大,所以若不通入氧气,其后果是无法除去杂质Fe2+。
3.(2018北京)实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。
资料:
K2FeO4为紫色固体,微溶于KOH溶液;具有强氧化性,在酸性或中性溶液中快速产生O2,在碱性溶液中较稳定。
(1)制备K2FeO4(夹持装置略)
①A为氯气发生装置。
A中反应方程式是________________(锰被还原为Mn2+)。
②将除杂装置B补充完整并标明所用试剂。
_______
③C中得到紫色固体和溶液。
C中Cl2发生的反应有
3Cl2+2Fe(OH)3+10KOH
2K2FeO4+6KCl+8H2O,另外还有________________。
(2)探究K2FeO4的性质
①取C中紫色溶液,加入稀硫酸,产生黄绿色气体,得溶液a,经检验气体中含有Cl2。
为证明是否K2FeO4氧化了Cl-而产生Cl2,设计以下方案:
方案Ⅰ
取少量a,滴加KSCN溶液至过量,溶液呈红色。
方案Ⅱ
用KOH溶液充分洗涤C中所得固体,再用KOH溶液将K2FeO4溶出,得到紫色溶液b。
取少量b,滴加盐酸,有Cl2产生。
i.由方案Ⅰ中溶液变红可知a中含有______离子,但该离子的产生不能判断一定是K2FeO4将Cl-氧化,还可能由________________产生(用方程式表示)。
ii.方案Ⅱ可证明K2FeO4氧化了Cl-。
用KOH溶液洗涤的目的是________________。
②根据K2FeO4的制备实验得出:
氧化性Cl2________
(填“>”或“<”),而方案Ⅱ实验表明,Cl2和
的氧化性强弱关系相反,原因是________________。
③资料表明,酸性溶液中的氧化性
>
,验证实验如下:
将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中,振荡后溶液呈浅紫色,该现象能否证明氧化性
>
。
若能,请说明理由;若不能,进一步设计实验方案。
理由或方案:
________________。
【答案】2KMnO4+16HCl
2MnCl2+2KCl+5Cl2↑+8H2O
Cl2+2OH−
Cl−+ClO−+H2OFe3+4FeO42−+20H+
4Fe3++3O2↑+10H2O排除ClO−的干扰>溶液的酸碱性不同若能,理由:
FeO42−在过量酸的作用下完全转化为Fe3+和O2,溶液浅紫色一定是MnO4−的颜色(若不能,方案:
向紫色溶液b中滴加过量稀H2SO4,观察溶液紫色快速褪去还是显浅紫色)
除去HCl,除杂装置B为
。
③C中Cl2发生的反应有3Cl2+2Fe(OH)3+10KOH=2K2FeO4+6KCl+8H2O,还有Cl2与KOH的反应,Cl2与KOH反应的化学方程式为Cl2+2KOH=KCl+KClO+H2O,反应的离子方程式为Cl2+2OH-=Cl-+ClO-+H2O。
(2)①根据上述制备反应,C的紫色溶液中含有K2FeO4、KCl,还可能含有KClO等。
i.方案I加入KSCN溶液,溶液变红说明a中含Fe3+。
但Fe3+的产生不能判断K2FeO4与Cl-发生了反应,根据题意K2FeO4在酸性或中性溶液中快速产生O2,自身被还原成Fe3+,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒,可能的反应为4FeO42-+20H+=3O2↑+4Fe3++10H2O。
ii.产生Cl2还可能是ClO-+Cl-+2H+=Cl2↑+H2O,即KClO的存在干扰判断;K2FeO4微溶于KOH溶液,用KOH溶液洗涤的目的是除去KClO、排除ClO-的干扰,同时保持K2FeO4稳定存在。
②制备K2FeO4的原理为3Cl2+2Fe(OH)3+10KOH=2K2FeO4+6KCl+8H2O,在该反应中Cl元素的化合价由0价降至-1价,Cl2是氧化剂,Fe元素的化合价由+3价升至+6价,Fe(OH)3是还原剂,K2FeO4为氧化产物,根据同一反应中,氧化性:
氧化剂
氧化产物,得出氧化性Cl2
FeO42-;方案II的反应为2FeO42-+6Cl-+16H+=2Fe3++3Cl2↑+8H2O,实验表明,Cl2和FeO42-氧化性强弱关系相反;对比两个反应的条件,制备K2FeO4在碱性条件下,方案II在酸性条件下;说明溶液的酸碱性的不同影响物质氧化性的强弱。
③该小题为开放性试题。
若能,根据题意K2FeO4在足量H2SO4溶液中会转化为Fe3+和O2,最后溶液中不存在FeO42-,溶液振荡后呈浅紫色一定是MnO4-的颜色,说明FeO42-将Mn2+氧化成MnO4-,所以该实验方案能证明氧化性FeO42-
MnO4-。
(或不能,因为溶液b呈紫色,溶液b滴入MnSO4和H2SO4的混合溶液中,c(FeO42-)变小,溶液的紫色也会变浅;则设计一个空白对比的实验方案,方案为:
向紫色溶液b中滴加过量稀H2SO4,观察溶液紫色快速褪去还是显浅紫色)。
二、考点突破
1、制备物质
典例1(2018届云南师大附中高三年级适应性月考)高铁酸钾是一种高效的多功能水处理剂,具有强氧化性。
制备高铁酸钾方法很多。
(1)干法制备高铁酸钾。
将Fe2O3、KNO3、KOH混合加热共熔生成紫红色高铁酸盐和KNO2等产物。
此制备反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为_____________________。
(2)湿法制备高铁酸钾。
工业上常采用NaClO氧化法生产,原理如下:
a.3NaClO+2Fe(NO3)3+10NaOH=2Na2FeO4↓+3NaCl+6NaNO3+5H2O
b.Na2FeO4+2KOH=K2FeO4+2NaOH
主要的生产流程如图:
①流程图中“转化”是在某低温下进行的,说明此温度下的溶解度S(K2FeO4)_____S(Na2FeO4)(填“>”“<”或“=”)。
②湿法制备中,反应的温度、原料的浓度和配比对高铁酸钾的产率都有影响。
如图,图甲为不同的温度下,不同质量浓度的Fe(NO3)3对K2FeO4生成率的影响;图乙为一定温度下,Fe(NO3)3质量浓度最佳时,NaClO浓度对K2FeO4生成率的影响。
工业生产中最佳温度为_________℃,此时Fe(NO3)3与NaClO两种溶液最佳质量浓度之比为______________。
③若NaClO加入过量,氧化过程中会生成Fe(OH)3,写出该反应的离子方程式:
_____________________。
若Fe(NO3)3加入过量,在碱性介质中K2FeO4与Fe3+发生氧化还原反应生成K3FeO4,此反应的离子方程式为__________________________________。
(3)K2FeO4在水溶液中易水解:
4FeO42-+10H2O
4Fe(OH)3+8OH-+3O2↑。
①在“提纯”K2FeO4中采用重结晶、洗涤、低温烘干的方法,则洗涤剂最好选用__________溶液(填序号)。
A.H2OB.CH3COOK、异丙醇C.NH4Cl、异丙醇D.Fe(NO3)3、异丙醇
②K2FeO4在处理水的过程中所起的作用有_______________________。
(4)室温下,向含有Fe3+的CuSO4溶液中加入Cu(OH)2可使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀,从而除去Fe3+。
该反应的平衡常数为_____________________。
(已知常温下的溶度积常数:
Ksp[Cu(OH)2]=2.0×10-20,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38)。
【答案】3︰1<266∶5或1.23ClO−+Fe3++3H2O=Fe(OH)3↓+3HClO
+Fe3++8OH−=
+4H2OBK2FeO4具有强氧化性,能够消毒杀菌;同时
被还原成Fe3+,Fe3+水解形成Fe(OH)3胶体,能够吸附水中悬浮杂质5.0×1015mol/L
②湿法制备中,反应的温度、原料的浓度和配比对高铁酸钾的产率都有影响。
如图,图甲为不同的温度下,不同质量浓度的Fe(NO3)3对K2FeO4生成率的影响;图乙为一定温度下,Fe(NO3)3质量浓度最佳时,NaClO浓度对K2FeO4生成率的影响。
由图甲和图乙可知,在26℃、NaClO和Fe(NO3)3的质量浓度分别为330g/L和275g/L时,K2FeO4生成率最高,所以工业生产中最佳温度为26℃,此时Fe(NO3)3与NaClO两种溶液最佳质量浓度之比为
6∶5(或1.2)。
③若NaClO加入过量,次氯酸根离子和铁离子发生双水解反应,故氧化过程中会生成Fe(OH)3,该反应的离子方程式为3ClO−+Fe3++3H2O=Fe(OH)3↓+3HClO。
若Fe(NO3)3加入过量,在碱性介质中K2FeO4与Fe3+发生氧化还原反应生成K3FeO4,此反应的离子方程式为
+Fe3++8OH−=
+4H2O。
(3)①在“提纯”K2FeO4中采用重结晶、洗涤、低温烘干的方法,因为K2FeO4在水溶液中易水解,所以洗涤剂最好选用有机溶剂,根据平衡移动原理,为减少晶体的溶解损失,应选用CH3COOK、异丙醇溶液,填B。
②K2FeO4在处理水的过程中所起的作用有:
K2FeO4具有强氧化性,能够消毒杀菌;同时
被还原成Fe3+,Fe3+水解形成Fe(OH)3胶体,能够吸附水中悬浮杂质。
(4)室温下,向含有Fe3+的CuSO4溶液中加入Cu(OH)2可使Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀,从而除去Fe3+,该反应的离子方程式为2Fe3++3Cu(OH)2
3Cu2++2Fe(OH)3。
该反应的平衡常数为
5.0×1015mol/L。
2、原料的的氧化
典例2(2018届四川省宜宾市高高三第三次诊断考试)利用废旧锂离子电池的正极材料(主要成分为LiCoO2、Al以及少量Ca、Mg、Cu、Fe等)制备Co3O4微球的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)LiCoO2中Co元素的化合价为_______。
(2)步骤①中生成Co2+的离子方程式为_______。
此过程中若用浓盐酸代替H2SO4和H2O2的混合溶液,除因挥发使其利用率降低外,还有的缺点是_______。
(3)步骤②中,不同pH下溶液中金属离子的去除效果如下图所示。
该过程加入NaOH调节溶液pH的最佳范围是_______,理由是_______。
(4)步骤④中,过滤、洗涤操作均需用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、_______。
(5)步骤⑤中,Co(OH)2在空气中高温焙烧生成Co3O4的化学方程式为_______。
(6)若以钴为电极,控制一定条件,电解NaCl溶液也可制取Co3O4的前驱体Co(OH)2。
写出电解的总反应方程式_______。
(7)实验室测得“浸出液”中钴元素的含量为amg/L,取20mL“浸出液”模拟上述流程进行实验,得到“Co3O4微球”产品bg,又测得产品中钴元素的质量分数为w%。
计算钴的回收率为_______(列式表示)。
【答案】+32LiCoO2+6H++H2O2=2Co2++O2
+2Li++4H2O盐酸(或Cl-)可被LiCoO2氧化产生Cl2污染环境5.5~6.0在pH为5.5~6.0的范围内,Fe3+、Al3+、Cu2+杂质离子的去除率很高,而Co2+去除率很低,损失率较小漏斗6Co(OH)2+O2
2Co3O4+6H2OCo+2H2O
Co(OH)2+H2
×100%
【解析】
(1)LiCoO2中Co元素的化合价为+3;
(4)步骤④中,过滤、洗涤操作均需用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、和漏斗;
(5)步骤⑤中,Co(OH)2在空气中高温焙烧生成Co3O4,Co由+2价被氧化到+3价,故需氧气的参与,化学方程式为:
6Co(OH)2+O2
2Co3O4+6H2O;
(6)若以钴为电极,电解NaCl溶液也可制取Co3O4的前驱体Co(OH)2,阳极是Co,电极本身失电子,生成Co2+,阴极水中的氢离子放电生成氢气,故电解的总反应方程式为:
Co+2H2O
Co(OH)2+H2;
(7)实验室测得“浸出液”中钴元素的含量为amg/L,取20mL“浸出液”模拟上述流程进行实验,得到“Co3O4微球”产品bg,产品中钴元素的质量分数为w%,产品中Co的质量为:
b×w%,20mL“浸出液中Co的质量为:
a×0.02×0.001g,故钴的回收率为
×100%=
×100%。
典例3(2018届陕西省西安市长安区高三教学质量检测)下图表示从废旧普通锌锰电池内容物中回收制备KMnO4等物质的一种工艺(不考虑废旧电池中实际存在的少量其他金属)。
(1)KMnO4稀溶液是一种常用消毒剂,其消毒机理与下列物质相似的是__________(填序号)。
A.双氧水B.75%酒精C.84消毒液(NaClO溶液)D.苯酚
(2)①黑色固体混合物水浸时为提高浸出速率,常采用的措施为___________________________(答出一条即可)。
②滤渣水洗灼烧后固体是一种黑色的化合物,操作a中得到熔块的主要成分是K2MnO4和KCl,该过程中发生反应的化学方程式为_____________________________________。
③图中产物A是一种难溶于水的黑色固体,其化学式为_________________________。
(3)测定KMnO4产品的纯度可用标准Na2S2O3溶液进行滴定。
①配制250mL0.1000mol·L-1标准Na2S2O3溶液,需要使用的玻璃仪器有烧杯、胶头滴管、量筒和_________________________、_________________________;
②取KMnO4配成溶液(酸化)后,用0.1000mol·L-1标准Na2S2O3溶液进行滴定,判断滴定至终点的现象为___________________。
【答案】AC加热、将固体混合物粉碎、搅拌3MnO2+KClO3+6KOH
3K2MnO4+KCl+3H2OMnO2玻璃棒250mL容量瓶当滴入最后一滴标准液,溶液的紫红色恰好褪去,且半分钟内不变色
【解析】
(1)KMnO4稀溶液是一种常用消毒剂,其消毒机理是KMnO4具有强氧化性。
A项,双氧水有强氧化性;B项,75%酒精使蛋白质变性;C项,84消毒液具有强氧化性;D项,苯酚使蛋白质发生变性。
(2)根据普通锌锰电池的组成,黑色固体混合物“水浸”后过滤得到的滤渣中主要含MnO2;MnO2与KClO3、KOH熔融时反应生成K2MnO4、KCl和H2O;向K2MnO4溶液中通入CO2生成KMnO4,Mn元素的化合价由+6价升至+7价,产物A是一种难溶于水的黑色固体,根据氧化还原反应的规律,化合物A的化学式为MnO2,K2MnO4与CO2反应生成KMnO4、MnO2和K2CO3。
(3)①配制250mL0.1000mol/L标准Na2S2O3溶液需要的玻璃仪器有:
烧杯、玻璃棒、量筒、250mL容量瓶、胶头滴管。
②KMnO4溶液本身呈紫红色,实验中不需要其他指示剂,滴定终点的现象为:
当滴入最后一滴标准液,溶液的紫红色恰好褪去,且半分钟内不变色。
(1)KMnO4稀溶液是一种常用消毒剂,其消毒机理是KMnO4具有强氧化性。
A项,双氧水有强氧化性,与KMnO4稀溶液消毒机理相似;B项,75%酒精使蛋白质变性,与KMnO4稀溶液消毒机理不同;C项,84消毒液具有强氧化性,与KMnO4稀溶液消毒机理相似;D项,苯酚使蛋白质发生变性,与KMnO4稀溶液消毒机理不同;答案选AC。
①黑色固体混合物水浸时为提高浸取速率,常采用的措施为:
加热、将固体混合物粉碎、搅拌。
②MnO2与KClO3、KOH熔融反应生成K2MnO4、KCl和H2O,在该反应中Mn元素的化合价由+4价升至+6价,Cl元素的化合价由+5价降至-1价,根据得失电子守恒和原子守恒,该过程中发生反应的化学方程式为3MnO2+KClO3+6KOH
3K2MnO4+KCl+3H2O。
③向K2MnO4溶液中通入CO2生成KMnO4,Mn元素的化合价由+6价升至+7价,产物A是一种难溶于水的黑色固体,根据氧化还原反应的规律,化合物A的化学式为MnO2,K2MnO4与CO2反应生成KMnO4、MnO2和K2CO3,反应的化学方程式为3K2MnO4+2CO2=2KMnO4+MnO2↓+2K2CO3。
(3)①配制250mL0.1000mol/L标准Na2S2O3溶液的步骤为:
计算→称量→溶解→冷却至室温→转移→洗涤→初步振荡→定容→上下颠倒摇匀。
需要使用的玻璃仪器有:
烧杯、玻璃棒、量筒、250mL容量瓶、胶头滴管,答案为:
250mL容量瓶、玻璃棒。
②KMnO4溶液本身呈紫红色,实验中不需要其他指示剂,滴定终点的现象为:
当滴入最后一滴标准液,溶液的紫红色恰好褪去,且半分钟内不变色。
3、氧化除杂
典例4(2018届山西省太原市高三模拟考试)铋(Bi)与氮同族,氯氧化铋(BiOCl)广泛用于彩釉调料、塑料助剂、油漆调色、生产金属铋等。
一种以用火法炼铜过程产生的铜转炉烟尘(除含铋的化合物之外,还有CuSO4、ZnSO4、CuS、Fe2O3、PbSO4及As2O3)制备高纯氯氧化铋的工艺流程如下:
请回答:
(1)BiOCl中Bi元素的化合价为__________。
(2)向“酸浸”所得“浸液1”中加入Zn粉,主要目的是__________________________。
(3)“浸铜”时,有单质硫生成,其反应的离子方程式为____________________________。
(4)“浸铋”时,温度升高,铋的浸出率降低,其原因为____________________________。
(5)“沉铋”时需控制溶液的pH=3.0,此时BiCl3发生反应的化学方程式为__________。
(6)“除铅、砷”时,可以采用以下两种方法:
①加入改性羟基磷灰石固体(HAP):
浸液2与HAP的液固比(L/S)与铅、砷去除率以及后续沉铋量的关系如下表:
L/S
125∶1
50∶1
25∶1
15∶1
Pb2+去除率/%
84.86
94.15
95.40
96.83
As3+去除率/%
98.79
98.92
98.34
99.05
m(沉铋)/g
2.34
2.33
2.05
1.98
实验中应采用的L/S=__________。
②铁盐氧化法:
向浸液2中加入Fe2(SO4)3,并调节pH,生成FeAsO4沉淀。
当溶液中c(AsO43-)=1×10-9 mol/L,且不产生Fe(OH)3沉淀,此时溶液的pH为__________。
(已知:
1g2=0.3;FeAsO4、Fe(OH)3的Ksp分别为5×10-21、4×10-38。
)
【答案】+3除去Cu2+、Fe3+CuS+MnO2+4H+=Cu2++ Mn2++S↓+2H2O温度升高,盐酸挥发,反应物浓度降低BiCl3+Na2CO3=BiOCl↓+2NaCl+CO2↑50∶15.3
【解析】
(1)BiOCl中O为-2价,Cl为-1价,根据化合价代数和为0,可知Bi元素的化合价为+3价,答案为:
+3
(2)向“酸浸”所得“浸液1”中加入Zn粉,Zn粉能与Cu2+、Fe3+反应生成Cu和Fe,从而除去Cu2+、Fe3+,答案为:
除去Cu2+、Fe3+
(4)“浸铋”时,所加物质为盐酸和氯化钠溶液,盐酸易挥发,升