题型二 化工工艺流程题
[专题强化训练]
1．(2024·高考北京卷)磷精矿湿法制备磷酸的一种工艺流程如下：
已知：磷精矿主要成分为Ca5(PO4)3(OH)，还含有Ca5(PO4)3F 和有机碳等。 溶解度：Ca5(PO4)3(OH) (1)上述流程中能加快反应速率的措施有____________________________。 (2)磷精矿粉酸浸时发生反应： △ 2Ca5(PO4)3(OH)＋3H2O＋10H2SO4=====10CaSO4·0.5H2O＋6H3PO4 ①该反应体现出酸性关系：H3PO4________H2SO4(填“>”或“<”)。 ②结合元素周期律解释①中结论：P和S电子层数相同，_______________________。 (3)酸浸时，磷精矿中Ca5(PO4)3F所含氟转化为HF，并进一步转化为SiF4除去。写出生成HF的化学方程式：_______________________________________________________。 (4)H2O2将粗磷酸中的有机碳氧化为CO2脱除，同时自身也会发生分解。相同投料比、相同反应时间，不同温度下的有机碳脱除率如图所示。80 ℃后脱除率变化的原因：________________________________________________________________________。 (5)脱硫时，CaCO3稍过量，充分反应后仍有SO4残留，原因是_________________；加入BaCO3可进一步提高硫的脱除率，其离子方程式是____________________________。 (6)取a g所得精制磷酸，加适量水稀释，以百里香酚酞做指示剂，用b mol·L NaOH溶液滴定至终点时生成Na2HPO4，消耗NaOH溶液c mL。精制磷酸中H3PO4的质量分数是________。(已知：H3PO4摩尔质量为98 g·mol) 解析：(1)流程中能加快反应速率的措施有将磷精矿研磨，酸浸时进行加热。(2)①该反应符合复分解反应中“强酸制弱酸”的规律。②比较硫酸与磷酸的酸性强弱，可以比较S与P的非金属性强弱。结合元素周期律可以比较S、P的原子半径、核电荷数。(3)根据元素守恒可写出反应的化学方程式。(4)有机碳的脱除率受两个因素的共同影响：一方面，温度越高，反应速率越快，在相同投料比、相同反应时间内，有机碳的脱除率越高；另一方面，温度升高可使较多的H2O2分解，氧化剂的量减少，使得有机碳的脱除率降低。80 ℃后，H2O2分解对有机碳脱除率的影响超过了温度升高的影响，导致脱除率逐渐降低。(5)脱 －1 －1 2－ 硫是用CaCO3除去剩余的硫酸，由于生成的硫酸钙是微溶物，所以即使CaCO3过量，充分反应后仍有SO4残留。加入BaCO3可使CaSO4转化为更难溶的BaSO4，进一步提高硫的脱除率。 (6)H3PO4 ＋ 2NaOH===Na2HPO4＋2H2O 98 g 2 mol m(H3PO4) 10bc mol 4.9×10bc g m(H3PO4)＝4.9×10bc g，则精制磷酸中H3PO4的质量分数为×100%＝ a g －2 －2 －3 2－ 4.9bc0.049bc%＝。 aa答案：(1)研磨、加热 (2)①< ②核电荷数P (3)2Ca5(PO4)3F＋10H2SO4＋5H2O=====10CaSO4·0.5H2O＋6H3PO4＋2HF (4)80 ℃后，H2O2分解速率大，浓度显著降低 (5)CaSO4微溶 BaCO3＋SO4＋2H3PO4===BaSO4＋CO2↑＋H2O＋2H2PO4 0.049bc(6) 2－ － a2．(2017·高考全国卷Ⅰ，T27，14分)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备。工艺流程如下： 回答下列问题： (1)“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为__________________。 (2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl4形式存在，写出相应反应的离子方程式： ________________________________________________________________________。 (3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示： 温度/℃ TiO2·xH2O转化率/% 30 92 35 95 40 97 45 93 50 88 2－ 分析40 ℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因：______________________________。 (4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4，其中过氧键的数目为__________。 (5)若“滤液②”中c(Mg)＝0.02 mol·L，加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍)，使Fe恰好沉淀完全即溶液中c(Fe)＝1.0×10 mol·L，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？ _______________________________________________________________(列式计算)。 FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10 －22 3＋ 3＋ －5 －1 2＋ －1 、1.0×10 －24 。 (6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式： ________________________________________________________________________。 解析：(1)从图像直接可以看出，铁的浸出率为70%时对应的温度、时间，符合温度升高，反应速率加快，值得注意的是，这类填空题可能有多个合理答案。(2)考查离子方程式书写。难点为生成物还有什么，钛酸亚铁中钛为＋4价，铁为＋2价，产物有氯化亚铁，比较FeTiO3和TiOCl4知，产物中一定有H2O。值得注意的是钛酸亚铁与盐酸反应是非氧化还原反应。(3)联系化学反应速率、双氧水和氨水性质分析转化率。这类问题要从两个角度分析，即低于40 ℃时，随着温度的升高，反应速率加快；高于40 ℃时，氨水挥发速率加快、双氧水分解速率加快，导致反应物浓度降低，结果转化率降低。(4)考查化学式与元素化合价关系。锂元素在化合物中只有一种化合价(＋1)，化合物中元素化合价代数和等于0，过氧键中氧显－1价，类似双氧水、过氧化钠。如果能求出－1价氧原子个数，就能求出过氧键数目，即过氧键数目等于－1价氧原子个数的一半。设Li2Ti5O15中－2价、－1价 ??x＋y＝158 氧原子个数分别为x、y。有?，解得x＝7，y＝8。所以，过氧键数目为＝4。(5) 2?2x＋y＝22? 2－ 考查溶度积计算以及判断沉淀是否形成。分两步计算：①计算铁离子完全沉淀时磷酸根离子浓度。c(Fe －1 3＋ )·c(PO3－ 4)＝Ksp(FePO4)，c(PO3－4 1.3×10－1－17 )＝＝1.3×10 －5 mol·L 1.0×10 －1 3 2＋ 2 3－ －22 mol·L。②混合后，溶液中镁离子浓度为c(Mg)＝0.01 mol·L，c(Mg)·c(PO4)＝0.01×(1.3×10 3 －172 2＋ )＝1.7×10 －40 3价，高温煅烧过程中铁的化合价降低，碳的化合价升高，有CO2生成。 答案：(1)100 ℃、2 h，90 ℃、5 h (2)FeTiO3＋4H＋4Cl===Fe＋TiOCl4＋2H2O (3)低于40 ℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加；超过40 ℃，双氧水分解与氨逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降 (4)4 1.3×10－1－17－132 (5)Fe恰好沉淀完全时，c(PO)＝＝1.3×10mol·L，c(Mg－5 mol·L 1.0×10 3＋ 3－4 ＋ －22 ＋ － 2＋ 2－ )·c(PO4)＝0.01×(1.3×10 23－3－172 )＝1.7×10 －40
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