课时跟踪检测(十九) 化学工艺流程题
1.(2019·全国卷Ⅰ)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源,变废为宝,在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵,具体流程如下:
回答下列问题:
(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,方法是
________________________________________________________________________。 (2)步骤②需要加热的目的是________________,温度保持80~95 ℃,采用的合适加热方式是______________。铁屑中含有少量硫化物,反应产生的气体需要净化处理,合适的装置为________(填标号)。
(3)步骤③中选用足量的H2O2,理由是__________________________________。 分批加入H2O2,同时为了____________,溶液要保持pH小于0.5。 (4)步骤⑤的具体实验操作有_______________________________________, 经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。
(5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数,将样品加热到150 ℃时失掉1.5个结晶水,失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为________。
解析:(1)铁屑表面的油污可以用热的氢氧化钠溶液洗涤,然后用蒸馏水洗净。 (2)铁与硫酸反应,加热的目的是加快反应速率,由于温度要控制在80~95 ℃,应选择水浴加热。铁中含有少量的硫化物,与酸反应后生成酸性气体H2S,应该用碱溶液吸收H2S气体,为了防止倒吸,应选用C装置。
(3)铁与硫酸反应后生成硫酸亚铁,加入足量的过氧化氢溶液将亚铁离子氧化为铁离子,离子方程式为2Fe+H2O2+2H===2Fe+2H2O。Fe在水中易水解生成氢氧化铁沉淀,为了抑制Fe水解,溶液要保持较强的酸性,使用H2O2的优点是不引入新的杂质。
(4)硫酸铁溶液与固体硫酸铵反应生成硫酸铁铵,为了从溶液中得到硫酸铁铵应将溶液经蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到硫酸铁铵晶体。
(5)由于样品失去1.5个结晶水,失重5.6%,即
3+
2+
+
3+
3+
M[NH4Fe(SO4)2·xH2O]×5.6%=
1.5×18 g·mol,可以求得M[NH4Fe(SO4)2·xH2O]≈482 g·mol,利用硫酸铁铵晶体的摩尔质量减去NH4Fe(SO4)2的摩尔质量可以求出晶体中水的摩尔质量之和,为216 g·mol,
-1
-1
-1
由此可以求出x=12。
答案:(1)碱煮水洗 (2)加快反应 热水浴 C
(3)将Fe全部氧化为Fe;不引入杂质 防止Fe水解 (4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤) (5)NH4Fe(SO4)2·12H2O
2.某工厂以重晶石(主要含BaSO4)为原料,生产“电子陶瓷工业支柱”——钛酸钡(BaTiO3)的工艺流程如下:
2+
3+
3+
回答下列问题:
(1)为提高BaCO3的酸浸速率,可采取的措施为__________________________(写出一条即可);常温下,TiCl4为液体且易水解,配制一定浓度的TiCl4溶液的方法是________________________________________________________________________。
(2)用Na2CO3溶液浸泡重晶石(假设杂质不与Na2CO3反应),能将BaSO4转化为BaCO3,此反应的平衡常数K=__________________(填写计算结果);若不考虑CO3的水解,要使2.33 g BaSO4恰好完全转化为BaCO3,则至少需要浓度为1.0mol·LNa2CO3溶液__________mL。[已知:
-1
2-
Ksp(BaSO4)=1.0×10-10、Ksp(BaCO3)=5.0×10-9]
(3)流程中“混合”溶液的钛元素在不同pH时主要以TiO(OH)、TiOC2O4、TiO(C2O4)2三种形式存在(变化曲线如图所示)。实际制备工艺中,先用氨水调节混合溶液的pH于2.8左右,再进行“沉淀”,其反应的离子方程式为_____________________________________;图中曲线c对应钛的形式为__________(填粒子符号)。
+
2-
(4)流程中“滤液”的主要成分为___________________;隔绝空气煅烧草酸氧钛钡晶体得到钛酸钡粉体和气态产物,试写出反应的化学方程式:________________________________________________________________________。
解析:(1)盐酸与BaCO3发生反应:2HCl+BaCO3===BaCl2+H2O+CO2↑,为了加快反应速率可以将固体BaCO3研成粉末,以增大接触面积;也可以适当增大盐酸浓度或适当加热升高反应温度或搅拌等;TiCl4是强酸弱碱盐,在溶液中Ti会发生水解反应:Ti+4H2O
4+
4+
Ti(OH)4
+4H,使溶液变浑浊,为了配制得到澄清的TiCl4溶液,同时不引入杂质离子,通常是将TiCl4溶于浓盐酸中,然后再加适量水稀释至所需浓度。
(2)在溶液中BaSO4存在沉淀溶解平衡,当向溶液中加入饱和Na2CO3溶液时,发生沉淀转化生成BaCO3:BaSO4(s)+CO3(aq)
2-
+
BaCO3(s)+SO4(aq),待达到平衡后,移走上层清液,
2-
--2+
c?SO2c?SO2?Ksp?BaSO4?4?4?c?Ba
重复多次操作,最终BaSO4生成BaCO3;反应的平衡常数K=2-=2-2+=
c?CO3?c?CO3?c?Ba?Ksp?CaCO3?
1.0×102-=2.33 g BaSO4物质的量为0.01 mol,根据BaSO4(s)+CO3(aq)-9=0.02;5.0×10
2-
2-
2-
-10
BaCO3(s)
+SO4(aq),完全转化需要0.01 mol CO3,同时溶液中产生0.01 mol SO4,根据K值溶液中含有n(CO3)=0.01 mol÷0.02=0.5 mol,需要加入Na2CO3为0.01 mol+0.5 mol=0.51 mol,需要Na2CO3溶液的体积为0.51 mol÷1 mol·L=0.51 L=510 mL。
(3)“混合溶液”过程中,钛元素在不同pH下主要以TiOC2O4、TiO(C2O4)2和TiO(OH)三种形式存在,调节混合液pH在2.8左右再进行沉淀,据“沉淀”时生成草酸氧钛钡晶体中含有TiO(C2O4)2(即b微粒),“沉淀”时的离子方程式为:TiO(C2O4)2+Ba
2-
2-
2+
2-
+
-1
2-
+
4H2O===BaTiO(C2O4)2·4H2O↓;随着氨水的不断加入溶液的pH不断增大,可以判断c对应钛的形式为TiO(OH)。
(4)TiCl4和草酸混合液加入了氨水,然后与BaCl2溶液混合得到草酸氧钛钡晶体,根据原子守恒,滤液中主要成分为NH4Cl。草酸氧钛钡晶体隔绝空气煅烧得到BaTiO3,同时得到CO、高温
CO2及水蒸气,煅烧草酸氧钛钡晶体得到BaTiO3方程式为BaTiO(C2O4)2·4H2O隔绝空气=====BaTiO3+2CO↑+2CO2↑+4H2O。
答案:(1)将BaCO3研成粉末或适当增大盐酸浓度或适当加热或搅拌等 溶于浓盐酸,再加适量水稀释至所需浓度
(2)0.02 510
(3)TiO(C2O4)2+Ba+4H2O===BaTiO(C2O4)2·4H2O↓ TiO(OH) 高温
(4)NH4Cl BaTiO(C2O4)2·4H2O隔绝空气=====BaTiO3+2CO↑+2CO2↑+4H2O
3.三盐(3PbO·PbSO4·H2O)可用作聚氯乙烯的热稳定剂,200 ℃以上开始失去结晶水,不溶于水及有机溶剂。以200.0 t铅泥(主要成分为PbO、Pb及PbSO4等)为原料制备三盐的工艺流程如图所示。
2-
2+
+
+
已知:PbSO4和PbCO3的溶解度和溶度积Ksp如下表。
化合物 PbSO4 PbCO3