學(xué)生用書P219
1.(15分)(2024·廣東深圳二模)一種從工業(yè)鋅置換渣(主要含ZnSO4、ZnFe2O4、PbSO4、GeO2、SiO2等)中回收鍺、鉛的工藝流程如圖:
已知:GeO2能溶于強酸的濃溶液或強堿溶液;PbCl2可溶于熱鹽酸中:PbCl2+2Cl-PbCl42-;常溫下,Ksp(PbSO4)=1.6×10-8,Ksp(PbCl2)=1.2×10-5。
(1)“還原浸出”時,SO2的存在可促進ZnFe2O4浸出。
①SO2的空間結(jié)構(gòu)為 。
②該反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為 。
(2)“90 ℃酸浸”所用鹽酸的濃度不宜過大或過小,濃度不宜過大的主要原因是 。
(3)“堿溶”時,GeO2發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為 。
(4)“降溫析鉛”過程中,體系溫度冷卻至常溫,且c(Cl-)=2.0 ml·L-1。為防止PbCl2中混有PbSO4雜質(zhì),應(yīng)控制溶液中c(SO42-)< ml·L-1(保留兩位有效數(shù)字)。
(5)“轉(zhuǎn)化”的意義在于可重復(fù)利用 (填物質(zhì)名稱)。
(6)通過摻雜硅可將鍺單質(zhì)轉(zhuǎn)化為不同摻雜比例的硅鍺合金,鍺及硅鍺合金的立方晶胞如圖所示。
①鍺晶體中一個Ge周圍與其最近的Ge的個數(shù)為 。
②若硅鍺合金ⅰ的晶胞邊長為a pm,設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值,則硅鍺合金ⅰ晶體的密度為 g·cm-3(列計算式)。
③硅鍺合金ⅱ沿晶胞對角面取得的截圖為 (填字母)。
晶胞對角面
答案:(1)①V形 ②1∶1
(2)防止GeO2大量溶解,導(dǎo)致鍺的產(chǎn)率下降
(3)GeO2+2OH-GeO32-+H2O
(4)5.3×10-3 (5)鹽酸
(6)①4 ②73×7+28a3×10-30×NA ③C
解析:工業(yè)鋅置換渣(主要含ZnSO4、ZnFe2O4、PbSO4、GeO2、SiO2等)通入SO2并加入硫酸還原浸出,生成Zn2+、Fe2+,“濾渣1”中有PbSO4、GeO2、SiO2,加入鹽酸“90 ℃酸浸”,“浸渣2”為GeO2、SiO2,加入氫氧化鈉溶液堿溶,發(fā)生反應(yīng)GeO2+2OH-GeO32-+H2O、SiO2+2OH-SiO32-+H2O,經(jīng)過“沉硅”等一系列操作后得到鍺,濾液中含有PbCl42-,降溫PbCl2+2Cl-PbCl42-平衡逆向移動,得到PbCl2,向“濾液1”中加入適量CaCl2得到CaSO4,過濾得“濾液2”,“濾液2”主要含有H+、Cl-。
(1)①SO2中S的價層電子對數(shù)為2+6-2×22=3,有1個孤電子對,空間結(jié)構(gòu)為V形。②該反應(yīng)化學(xué)方程式為SO2+ZnFe2O4+2H2SO4ZnSO4+2FeSO4+2H2O,氧化劑為ZnFe2O4,還原劑為SO2,氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為1∶1。
(2)鹽酸濃度過大,會導(dǎo)致GeO2大量溶解,鍺的產(chǎn)率下降。
(3)“堿溶”時,GeO2與OH-發(fā)生反應(yīng),離子方程式為GeO2+2OH-GeO32-+H2O。
(4)c(Cl-)=2.0 ml·L-1,Ksp(PbCl2)=c(Pb2+)·c2(Cl-)=1.2×10-5,即c(Pb2+)=3×10-6 ml·L-1,Ksp(PbSO4)=c(Pb2+)·c(SO42-)=3×10-6×c(SO42-)=1.6×10-8,c(SO42-)≈5.3×10-3 ml·L-1,即為防止PbCl2中混有PbSO4雜質(zhì),應(yīng)控制溶液中c(SO42-)VO2+>VO2+>Fe2+>Al3+;
③VO2+和VO3-可以相互轉(zhuǎn)化。
回答下列問題:
(1)“焙燒”時可添加適量“鹽對”NaCl-Na2SO4與釩頁巖形成混合物,這樣做的目的是 。
(2)“濾渣1”除掉的主要雜質(zhì)元素是 (填元素符號)。
(3)H2C2O4的作用是將VO2+轉(zhuǎn)化為VO2+,轉(zhuǎn)化的目的是 ,發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為 。
(4)①“沉釩”時生成NH4VO3沉淀,“步驟X”應(yīng)該加入 (填“氧化劑”或“還原劑”),寫出“沉釩”時反應(yīng)的離子方程式: 。
②以“沉釩率”(NH4VO3沉淀中V的質(zhì)量和釩頁巖中釩的質(zhì)量之比)表示釩的回收率如圖所示,溫度高于80 ℃時沉釩率下降的原因是 。
(5)①V2O5可以溶解在NaOH溶液中得到VO43-,VO43-在不同的pH下可以得到不同聚合度的多釩酸鹽,其陰離子呈如圖所示的無限鏈狀結(jié)構(gòu),其中一種酸式釩酸根離子可以表示為[H2VxO28]4-,其中x= 。
②V的另一種氧化物VO2的立方晶胞如圖所示,則在晶胞中,黑球代表的是 原子。
答案:(1)生成易溶的鈉鹽,提高釩的浸取率 (2)Si
(3)VO2+的萃取率大于VO2+,轉(zhuǎn)化為VO2+可以提高釩的萃取率 2VO2++H2C2O4+2H+2VO2++2CO2↑+2H2O
(4)①氧化劑 VO3-+NH4+NH4VO3↓ ②溫度高于80 ℃時,NH4+的水解程度增大,NH4+濃度減小導(dǎo)致沉釩率下降
(5)①10 ②V
解析:由題給流程可知,向釩頁巖焙燒得到的焙燒渣中加入酸進行酸浸,將金屬元素轉(zhuǎn)化為VO2+、鐵離子、鋁離子,二氧化硅不能與加入的酸反應(yīng),過濾得到含有二氧化硅的濾渣和濾液;調(diào)節(jié)濾液的pH為5.1,將溶液中的鐵離子、鋁離子轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵、氫氧化鋁沉淀,過濾得到含有氫氧化鐵、氫氧化鋁的濾渣和濾液;向濾液中加入草酸溶液,將VO2+還原為VO2+,向反應(yīng)后的溶液中加入萃取劑萃取、分液得到水相和有機相;向有機相中加入反萃取劑萃取、分液得到水相和有機相;向水相中加入氧化劑將溶液中的VO2+氧化為VO2+,向反應(yīng)后的溶液中加入氯化銨溶液將溶液中的釩元素轉(zhuǎn)化為釩酸銨沉淀,過濾得到釩酸銨;煅燒釩酸銨分解生成五氧化二釩。
(1)“焙燒”時添加適量“鹽對”與釩頁巖形成混合物,其目的是焙燒時氯化鈉和硫酸鈉提供的鈉元素能將釩頁巖中的釩元素轉(zhuǎn)化為易溶的鈉鹽,從而提高釩的浸取率。
(2)由分析可知,“濾渣1”的主要成分是二氧化硅,除掉的主要雜質(zhì)元素是硅元素。
(3)由題給信息可知,VO2+的萃取率大于VO2+,則轉(zhuǎn)化過程中加入草酸溶液的目的是將VO2+還原為VO2+,有利于萃取時提高釩的萃取率,反應(yīng)的離子方程式為2VO2++H2C2O4+2H+2VO2++2CO2↑+2H2O。
(4)①由分析可知,步驟X中加入氧化劑的目的是將溶液中的VO2+氧化為VO2+,向反應(yīng)后的溶液中加入氯化銨溶液的目的是將溶液中的釩元素轉(zhuǎn)化為釩酸銨沉淀,該反應(yīng)的離子方程式為VO3-+NH4+NH4VO3↓。②氯化銨在溶液中的水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng),升高溫度,水解平衡向正反應(yīng)方向移動,所以溫度高于80 ℃時沉釩率下降的原因是溫度高于80 ℃時,NH4+的水解程度增大,NH4+的濃度減小導(dǎo)致沉釩率下降。
(5)①由無限鏈狀結(jié)構(gòu)可知,多釩酸鹽中釩元素的化合價為+5價,由化合價代數(shù)和為0可知,[H2VxO28]4-中x=10;②由晶胞結(jié)構(gòu)可知,晶胞中位于頂角和體心的黑球個數(shù)為8×18+1=2,位于面上和體內(nèi)的白球個數(shù)為4×12+2=4,由氧化物的化學(xué)式可知,黑球為釩原子、白球為氧原子。
3.(10分)(2024·廣東2月大聯(lián)考)鉬具有耐腐耐磨的特性,目前廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療和國防領(lǐng)域。一種使用先進的堿性氧化焙燒法,從鎳鉬礦(主要成分是MS2、NiS、FeS2)中回收鉬的流程如圖所示:
已知:①“焙燒”后鉬元素以Na2MO4的形式存在,Ni的化合價不變且以氧化物的形式存在,“焙燒”過程中未見有含S氣態(tài)物的生成。
②Ksp[Mg(OH)2]=5.6×10-12,Ksp(MgCO3)=6.5×10-6。
③一般離子濃度達到10-5 ml·L-1以下視為沉淀完全。
回答下列問題:
(1)寫出“焙燒”過程中MS2發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式: 。
(2)“濾渣1”的主要成分為 (填化學(xué)式)。
(3)Na2CO3實驗用量與理論用量的比值為1.0、1.1、1.2、1.3時,M的浸出率和CO32-殘留濃度的關(guān)系如圖所示,則Na2CO3的最佳用量比為 ,結(jié)合圖中信息說明理由: 。
(4)常溫下,“水浸”過程完成后溶液中c(CO32-)=3.00 g·L-1,試計算“凈化”過程中每升溶液中需加入 (保留兩位有效數(shù)字) ml MgSO4,若“凈化”完成后溶液的pH=8,則此時溶液中 (填“不存在”或“存在”)Mg(OH)2沉淀。
(5)MSy被稱為潤滑之王,其穩(wěn)定晶體的晶胞結(jié)構(gòu)的透視圖與正視圖如圖所示,晶胞參數(shù)α=β=90°,γ=60°,原子間距a=b=c,則y= ;晶胞中與M原子距離最近且相等的S原子數(shù)目為 。
答案:(1)2MS2+6Na2CO3+9O22Na2MO4+4Na2SO4+6CO2
(2)Fe2O3、NiO
(3)1.2 當Na2CO3的用量比從1.0增加到1.2時,鉬的浸出率明顯增加,當Na2CO3用量比從1.2增加到1.3時,鉬的浸出率增加不大,但CO32-的殘留濃度顯著增大
(4)0.70 不存在
(5)2 6
解析:向鎳鉬礦(主要成分是MS2、NiS、FeS2)通入空氣,加入碳酸鈉焙燒產(chǎn)生CO2,水浸后除去的“濾渣1”的成分為Fe2O3、NiO,加入硫酸鎂凈化除去的“濾渣2”的成分為氫氧化鎂,濾液經(jīng)冷卻結(jié)晶得到硫酸鈉,向溶液中加入D318-Ⅲ樹脂進行離子交換,再加入氨水解析得到“解析液”,處理后得到鉬酸銨。
(1)由題中信息可知,含M的產(chǎn)物為Na2MO4,沒有含硫氣態(tài)物質(zhì)生成,結(jié)合流程可知硫元素被氧化為最高價的鹽Na2SO4,流程中生成CO2,則“焙燒”過程中MS2發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為2MS2+6Na2CO3+9O22Na2MO4+4Na2SO4+6CO2。
(2)FeS2被氧化為Fe2O3,Fe2O3不溶于堿性的碳酸鈉溶液成為濾渣,由題中信息可知Ni以+2價氧化物NiO存在,NiO也不溶于堿性碳酸鈉溶液,則“濾渣1”的主要成分為Fe2O3、NiO。
(3)由圖可知,當Na2CO3實驗用量與理論用量的比值從1.0增加到1.2時,鉬的浸出率明顯增加,當Na2CO3實驗用量與理論用量的比值從1.2增加到1.3時,鉬的浸出率增加不大,但CO32-的殘留濃度顯著增大,故最佳用量比選擇1.2。
(4)c(CO32-)=3.00 g·L-1,轉(zhuǎn)換單位后c(CO32-)=3.00 g·L-160 g·ml-1=0.05 ml·L-1,完全沉淀此部分CO32-需c(Mg2+)=0.05 ml·L-1,當CO32-沉淀完全后溶液中c(Mg2+)=Ksp(MgCO3)c(CO32-)=6.5×10-61×10-5 ml·L-1=0.65 ml·L-1,合計c(Mg2+)=(0.05+0.65) ml·L-1=0.70 ml·L-1,故每升溶液中需加入0.70 ml MgSO4。若“凈化”完成后溶液pH=8,則此時溶液中c(H+)=10-8 ml·L-1,c(OH-)=10-1410-8 ml·L-1=10-6 ml·L-1,此時c(Mg2+)·c2(OH-)=0.65×(10-6)2=6.5×10-13

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