第10讲B常见金属元素及其化合物B.docx

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第10讲B常见金属元素及其化合物B

第10讲　常见金属元素及其化合物（B）

时间：

45分钟　满分：

100分

1．（2016·华中师大附中模拟）利用新方案和新工艺处理废旧铅酸蓄电池，可以达到节能减排、防治污染和资源循环利用的目的。

一种处理铅酸蓄电池的流程如下：

已知Ksp（PbSO4）＝1.6×10－8和Ksp（PbCO3）＝1.4×10－14

（1）写出铅酸蓄电池放电时的总反应：

______________________。

（2）废旧电池的预处理时需要将电池放电完全，目的是________。

（3）写出铅膏脱硫时的离子方程式_________________________。

（4）传统的铅蓄电池的处理工艺是将电池破碎后，洗涤，干燥，直接送入回转炉熔炼。

而该工艺使用纯碱脱硫的显著优点是________________________________________________。

（5）已知芒硝（Na2SO4·10H2O）的溶解度曲线如下图所示，则从Na2SO4溶液中结晶出Na2SO4晶体的方法是加热结晶、____________、用乙醇洗涤晶体。

用乙醇不用水洗涤的原因是______________________________________________。

（6）应用电化学原理，将铅膏转化为铅可以非常清洁处理蓄电池，其原理是先用细菌将铅膏转换为PbS，再用氟硼酸铁浸出PbS，化学方程式为：

PbS＋2Fe[BF4]3===Pb[BF4]2＋2Fe[BF4]2＋S

最后通过电解浸出液得到金属铅，电解后的溶液可以循环使用，写出电解的总反应方程式___________________________________。

解析　

（1）铅酸蓄电池放电时的总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

（2）废旧电池的预处理时需要将电池放电完全，目的是将电极材料全部转换为PbSO4。

（3）根据流程图，铅膏与碳酸钠反应生成了硫酸钠，根据反应原理，还有碳酸铅生成，反应的离子方程式为PbSO4＋CO

PbCO3＋SO

。

（4）与传统的铅蓄电池的处理工艺相比，传统工艺将电池破碎后，洗涤，干燥，直接送入回转炉熔炼，处理过程中会放出二氧化硫等污染物。

（5）根据芒硝（Na2SO4·10H2O）的溶解度曲线可知，芒硝的溶解度在313K之前随温度的变化较大，从Na2SO4溶液中结晶出Na2SO4晶体，加热结晶后需趁热过滤，用乙醇洗涤晶体可以防止生成芒硝晶体。

（6）将铅膏转化为铅可以非常清洁处理蓄电池，其原理是先用细菌将铅膏转换为PbS，再用氟硼酸铁浸出PbS，化学方程式为：

PbS＋2Fe[BF4]3===Pb[BF4]2＋2Fe[BF4]2＋S，最后通过电解浸出液Pb[BF4]2＋2Fe[BF4]2，得到金属铅，过程为上述过程的逆过程，同时得到Fe[BF4]3，电解后的溶液可以循环使用，因此电解的总反应方程式为Pb[BF4]2＋2Fe[BF4]2

Pb＋2Fe[BF4]3。

答案　

（1）Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

（2）将电极材料全部转换为PbSO4

（3）PbSO4＋CO

PbCO3＋SO

（4）可以减小污染，对环境友好

（5）趁热过滤　防止生成芒硝晶体

（6）Pb[BF4]2＋2Fe[BF4]2

Pb＋2Fe[BF4]3

2．（2016·云南上学期双基测试）以黄铁矿为原料制硫酸会产生大量的废渣，合理利用废渣可以减少环境污染，变废为宝。

工业上利用废渣（含Fe2＋、Fe3＋的硫酸盐及少量CaO和MgO）制备高档颜料铁红（Fe2O3）和回收（NH4）2SO4，具体生产流程如下：

注：

铵黄铁矾的化学式为（NH4）2Fe6（SO4）4（OH）12。

（1）在废渣溶解操作时，应选用____________溶解（填字母）。

A．氨水　　　　　　　　B．氢氧化钠溶液

C．盐酸D．硫酸

（2）物质A是一种氧化剂，工业上最好选用____________（供选择使用的有：

空气、Cl2、MnO2），其理由是_________________________。

氧化过程中发生反应的离子方程式为________________________。

（3）根据如图有关数据，你认为工业上氧化操作时应控制的条件（从温度、pH和氧化时间三方面说明）是________________________。

（4）铵黄铁矾中可能混有的杂质有Fe（OH）3、_________________。

铵黄铁矾与氨水反应的化学方程式为__________________。

解析　

（1）该流程的目的是制备高档颜料铁红（Fe2O3）和回收（NH4）2SO4，不能引入杂质离子，所以不能用盐酸，而氨水和NaOH溶液能沉淀Fe3＋和Fe2＋，所以也不能用。

（2）空气中的氧气在酸性条件下可将Fe2＋氧化为Fe3＋，空气原料易得，成本低，不产生污染，不引入杂质。

（3）由图知，控制温度在80℃、pH为1.5，氧化时间为4小时，Fe2＋的氧化率较高。

（4）废渣溶解经氧化后溶液中存在Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋，加氨水后，可能生成Mg（OH）2沉淀、Fe（OH）3沉淀，另外Ca（OH）2和CaSO4的溶解度较小，也可能析出。

由流程图可知，铵黄铁矾与氨水反应得到（NH4）2SO4和Fe（OH）3。

答案　

（1）D

（2）空气　原料易得，成本低，不产生污染，不引入杂质　4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O

（3）溶液温度控制在80℃，pH控制在1.5，氧化时间为4小时左右

（4）Ca（OH）2、Mg（OH）2、CaSO4

（NH4）2Fe6（SO4）4（OH）12＋6NH3·H2O===4（NH4）2SO4＋

6Fe（OH）3↓

3．（2016·黑龙江六校模拟）硼及其化合物具有重要的工业用途。

某工厂生产硼砂过程中产生的固体废料，主要含有MgCO3、MgSiO3、CaMg（CO3）2、Al2O3和Fe2O3等，回收镁和其中另一种金属单质A的工艺流程如图：

部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH如表：

沉淀物

Fe（OH）3

Al（OH）3

Mg（OH）2

pH

3.2

5.2

12.4

请回答下列问题：

（1）滤液Ⅰ所含阴离子主要是____________；可回收到的金属A的原子结构示意图为__________。

（2）试剂B为____________；“浸出”步骤中，为提高镁的浸出率，可采取的措施有____________（要求写出两条措施）。

（3）滤液Ⅱ所含金属离子为____________，调pH时需要调多次，第一次调pH主要是为了除去__________。

（4）Mg（ClO3）2在农业上有广泛的用途，可用NaClO3与MgCl2制备，已知四种化合物的溶解度（S）随温度（T）变化曲线如图所示。

①写出反应的化学方程式：

______________。

②将反应物按化学反应方程式计量数比混合制备Mg（ClO3）2，简述可制备Mg（ClO3）2的原因__________________________________。

解析　

（1）MgCO3、MgSiO3、CaMg（CO3）2、Al2O3和Fe2O3中只有氧化铝能与氢氧化钠反应；碱浸后的滤液Ⅰ中含有AlO

和OH－，最终制得的金属A是Al，Al有3个电子层，最外层电子数为3。

（2）浸出时，从化学反应速率和化学平衡的影响因素来分析判断。

（3）依据表格中pH得知，最先将pH调到3.2～5.2之间，析出氢氧化铁沉淀。

（4）①依据元素守恒以及复分解反应原理书写即可；②根据侯德榜制碱法制取NaHCO3的原理解答。

答案　

（1）AlO

、OH－　

（2）盐酸　升温、搅拌或适当增大酸的浓度

（3）Mg2＋、Ca2＋、Fe3＋　Fe3＋

（4）①2NaClO3＋MgCl2===Mg（ClO3）2＋2NaCl↓

②在相同温度下，NaCl的溶解度较小，最先析出，Mg（ClO3）2留在溶液中，通过蒸发结晶可得

4．（2016·四川六校诊断）污染物的有效去除和资源的充分利用是重要的研究课题。

某化学研究小组利用软锰矿（主要成分为MnO2，另含有少量铁、铝、铜、镍等金属的化合物）作脱硫剂，通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO2，又制得电池材料MnO2（反应条件已略去）。

请回答下列问题：

（1）若将SO2气体通入下列溶液中，会褪色的是____________（填字母）。

A．品红溶液B．紫色石蕊试液

C．酸性KMnO4溶液D．溴水

（2）用MnCO3能除去溶液中的Al3＋和Fe3＋，其原因是_________。

（3）分别写出MnS除去溶液中的Cu2＋和Ni2＋的离子方程式________________________、__________________________。

（4）工业上采用电解K2MnO4水溶液的方法来生产KMnO4，其中惰性电极作阳极，铁作阴极，请写出阳极的电极反应式__________________________________________________________。

（5）写出KMnO4和MnSO4溶液反应生成MnO2的化学方程式__________________________________________________________。

（6）若要制得硫酸锰晶体（MnSO4·H2O，相对分子质量为169），可以将除杂后得到的MnSO4溶液通过____________________（填操作名称）而制得。

解析　

（1）SO2具有还原性，所以可以使酸性高锰酸钾和溴水褪色，SO2具有漂白性，所以可以使品红溶液褪色。

（2）铝离子、铁离子水解产生氢氧化铝、氢氧化铁和氢离子，加入的MnCO3能消耗氢离子，促使Al3＋、Fe3＋的水解平衡正向移动，从而使Al3＋、Fe3＋沉淀被除去。

（4）电解池中阳极发生氧化反应，元素的化合价升高，则MnO

被氧化为MnO

，所以阳极的电极反应式为MnO

－e－===MnO

。

（5）KMnO4与MnSO4发生归中反应生成MnO2，另外还有产物K2SO4，根据原子守恒和得失电子守恒得出化学方程式：

2KMnO4＋3MnSO4＋2H2O===5MnO2↓＋K2SO4＋2H2SO4。

（6）从溶液中得到晶体的操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。

答案　

（1）ACD

（2）消耗溶液中的酸，使Fe3＋和Al3＋水解生成氢氧化物沉淀

（3）MnS＋Cu2＋===CuS＋Mn2＋　MnS＋Ni2＋===NiS＋Mn2＋

（4）MnO

－e－===MnO

（5）2KMnO4＋3MnSO4＋2H2O===5MnO2↓＋K2SO4＋2H2SO4

（6）蒸发浓缩、冷却结晶、过滤

5．（2016·武汉调研）废铅蓄电池的一种回收利用工艺流程如下图所示：

部分难溶电解质的性质如下表：

物质

Ksp（25℃）

颜色

PbSO4

1.8×10－8

白色

PbCO3

1.5×10－13

白色

PbCrO4

1.8×10－14

黄色

BaCrO4

1.2×10－10

黄色

Pb（OH）2

1.4×10－20

白色

回答下列问题：

（1）铅蓄电池在生产、生活中使用广泛，铅蓄电池的缺点有__________________________（写一条）。

（2）燃烧废塑料外壳可以发电，其一系列能量转换过程：

化学能→____________→____________→电能。

（3）将流程图中的废硫酸和滤液按一定比例混合，再将所得的混合液经____________、______________、____________等操作，可以析出十水硫酸钠晶体。

（4）利用铅泥中的PbSO4溶于CH3COONa溶液生成弱电解质（CH3COO）2Pb，（CH3COO）2Pb溶液与KClO在强碱性条件下反应制取PbO2，写出后一步生成PbO2的离子方程式__________________。

（5）25℃时，Na2CO3溶液浸出时发生的反应为：

CO

（aq）＋PbSO4（s）PbCO3（s）＋SO

（aq），计算该反应的平衡常数K＝____________。

以滤渣PbCO3和焦炭为原料可制备金属铅，用化学方程式表示制备过程________________________________________。

（6）已知Pb（OH）2是既能溶于稀硝酸，又能溶于KOH溶液的两性氢氧化物。

设计实验区别PbCrO4和BaCrO4__________________。

解析　

（1）铅蓄电池的缺点有比能量低（或笨重、废弃电池污染环境）；

（2）燃烧废塑料外壳可以发电，其一系列能量转换过程，首先是化学能转化为热能，热能转化为机械能，机械能转化为电能；

（3）废硫酸和滤液按一定比例混合，再将混合液经蒸发浓缩、冷却结晶、过滤得到十水硫酸钠晶体；

（4）（CH3COO）2Pb溶液与KClO在强碱性条件下反应制取PbO2，Pb的化合价升高，被氧化，ClO－作氧化剂，Cl元素被还原为Cl－，结合电荷守恒、元素守恒写出反应的离子方程式为：

（CH3COO）2Pb＋ClO－＋2OH－===PbO2↓＋Cl－＋2CH3COO－＋H2O；（5）反应CO

（aq）＋PbSO4（s）PbCO3（s）＋SO

（aq）的平衡常数K＝

＝

＝

＝1.2×105，滤渣PbCO3和焦炭为原料可制备金属铅，首先是PbCO3加热的条件下分解生成PbO，化学反应方程式为：

PbCO3

PbO＋CO2↑，再用C还原PbO，反应的化学方程式为：

2PbO＋C

2Pb＋CO2↑；（6）已知Pb（OH）2是既能溶于稀硝酸，又能溶于KOH溶液的两性氢氧化物，所以可以通过加入过量的KOH来区别PbCrO4和BaCrO4。

答案　

（1）比能量低（或笨重、废弃电池污染环境）

（2）热能　机械能

（3）蒸发浓缩　冷却结晶　过滤

（4）（CH3COO）2Pb＋ClO－＋2OH－===PbO2↓＋Cl－＋

2CH3COO－＋H2O

（5）1.2×105　PbCO3

PbO＋CO2↑，2PbO＋C

2Pb＋CO2↑

（6）取少量待测物于两支试管中，分别与过量KOH溶液反应，能溶解的是PbCrO4，不能溶解的是BaCrO4

6．（2016·烟台一模）废旧锂离子电池的正极材料试样（主要含有LiCoO2及少量Al、Fe等）可通过下列方法回收钴、锂。

已知：

①Co（OH）2是两性氢氧化物。

氢氧化物

Al（OH）3

Fe（OH）2

Fe（OH）3

开始沉淀的pH

3.1

7.1

2.2

完全沉淀的pH

4.7

9.7

3.7

请回答下列问题：

（1）浸出过程中为加快浸出速率，可以采取的措施有_________（写出两点）。

（2）浸出过程中Na2S2O3被氧化为Na2SO4的化学方程式为________________________________。

该过程中可用盐酸代替H2SO4和Na2S2O3，但缺点是________________________。

（3）滤渣的成分为__________，充入空气的目的是____________。

（4）沉钴过程中不使用NaOH溶液的原因是_________________。

当溶液中c（Co2＋）≤10－5mol·L－1时即认为沉淀完全，则需要控制x≥______（Ksp[Co（OH）2]＝1.0×10－15）。

制得的Co（OH）2不宜在空气中长期放置，会被空气中的O2氧化成Co（OH）3，化学反应方程式为__________________________________________。

（5）碳酸锂的溶解度随温度的变化如下图所示，则洗涤碳酸锂沉淀时应选____________（填“热水”或“冷水”）。

解析　

（1）根据影响化学反应速率的因素，增大所加溶液的浓度、提高温度、将正极材料试样粉碎（或减小正极材料试样粒径）、搅拌等措施可以加快浸出速率；

（2）根据流程图，浸出过程中Na2S2O3被LiCoO2氧化为Na2SO4，反应的化学方程式为8LiCoO2＋Na2S2O3＋11H2SO4===4Li2SO4＋8CoSO4＋Na2SO4＋11H2O；如用盐酸代替H2SO4和Na2S2O3，盐酸被氧化为氯气，会污染环境；

（3）根据几种物质沉淀完全的pH数值可知，在pH＝5时，生成的沉淀主要是Al（OH）3、Fe（OH）3；为了除去Fe2＋，可以充入空气将Fe2＋氧化为Fe3＋，在pH＝5时一并除去；（4）根据提示，Co（OH）2是两性氢氧化物，因此沉钴过程中不使用NaOH溶液，防止生成的Co（OH）2被NaOH溶液溶解；Ksp[Co（OH）2]＝c（Co2＋）c2（OH－）＝10－5mol·L－1×c2（OH－）＝1.0×10－15，解得：

c（OH－）＝1.0×10－5，pH＝9，Co（OH）2在空气中长期放置，被空气中的O2氧化成Co（OH）3，反应的化学方程式为4Co（OH）2＋O2＋2H2O===4Co（OH）3；

（5）碳酸锂的溶解度随温度的升高而降低，为了减少洗涤时碳酸锂的损失，应该选择热水进行洗涤。

答案　

（1）增大所加溶液的浓度、提高温度、将正极材料试样粉碎（或减小正极材料试样粒径）、搅拌等

（2）8LiCoO2＋Na2S2O3＋11H2SO4===4Li2SO4＋8CoSO4＋Na2SO4＋11H2O　易产生氯气，污染环境

（3）Al（OH）3、Fe（OH）3　将Fe2＋氧化为Fe3＋

（4）Co（OH）2是两性氢氧化物，能和强碱反应导致沉淀量减少　9　4Co（OH）2＋O2＋2H2O===4Co（OH）3

（5）热水