【名师一号】2021高考化学(苏教版)一轮复习课时训练：10-4实验方案的设计与评价-无机化工流程.docx

第四单元　试验方案的设计与评价　无机化工流程
(计时：45分钟　满分：100分)
1．(12分)(2021·大纲)铝是一种应用广泛的金属，工业上用Al2O3和冰晶石(Na3AlF6)混合熔融电解制得。
①铝土矿的主要成分是Al2O3和SiO2等。从铝土矿中提炼Al2O3的流程如下：

②以萤石(CaF2)和纯碱为原料制备冰晶石的流程如下：

回答下列问题：
(1)写出反应1的化学方程式_________________________。
(2)滤液Ⅰ中加入CaO生成的沉淀是________，反应2的离子方程式为________________________。
(3)E可作为建筑材料，化合物C是________，写出由D制备冰晶石的化学方程式________________。
(4)电解制铝的化学方程式是_________________________。
以石墨为电极，阳极产生的混合气体的成分是________。
解析　(1)由于铝土矿的主要成分为二氧化硅、氧化铝，前者与NaOH反应生成硅酸钠，后者与NaOH反应生成偏铝酸钠(NaAlO2)。(2)CaO加入水溶液中先生成氢氧化钙，氢氧化钙电离出的Ca2＋与SiO反应生成CaSiO3；反应2为偏铝酸钠与CO2反应生成氢氧化铝。(3)浓硫酸与萤石反应生成HF气体和硫酸钙，故C为浓硫酸，D为HF，E为硫酸钙；结合制备冰晶石的反应物HF、碳酸钠和氢氧化铝及生成物Na3AlF6，由元素守恒可知该反应的生成物中还有二氧化碳和水。(4)工业上利用熔融的氧化铝，通过电解可制得单质铝，并有氧气生成；阳极生成物氧气可与石墨反应，生成碳的氧化物。
答案　(1)2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O、
2NaOH＋Al2O3===2NaAlO2＋H2O
(2)CaSiO3
2AlO＋CO2＋3H2O===2Al(OH)3↓＋CO
(3)浓H2SO4　12HF＋3Na2CO3＋2Al(OH)3===2Na3AlF6＋3CO2＋9H2O
(4)2Al2O34Al＋3O2↑　O2、CO2(CO)
2．(14分)(2021·北京)用含有Al2O3、SiO2和少量FeO·xFe2O3的铝灰制备Al2(SO4)3·18H2O，工艺流程如下(部分操作和条件略)：
Ⅰ.向铝灰中加入过量稀H2SO4，过滤；
Ⅱ.向滤液中加入过量KMnO4溶液，调整溶液的pH约为3；
Ⅲ.加热，产生大量棕色沉淀，静置，上层溶液呈紫红色；
Ⅳ.加入MnSO4至紫红色消逝，过滤；
Ⅴ.浓缩、结晶、分别，得到产品。
(1)H2SO4溶解Al2O3的离子方程式是___________________。
(2)将MnO氧化Fe2＋的离子方程式补充完整：
MnO＋Fe2＋＋________===Mn2＋＋Fe3＋＋________
(3)已知：
生成氢氧化物沉淀的pH

Al(OH)3
Fe(OH)2
Fe(OH)3
开头沉淀时
3.4
6.3
1.5
完全沉淀时
4.7
8.3
2.8
注：金属离子的起始浓度为0.1 mol·L－1
依据表中数据解释步骤Ⅱ的目的：__________________。
(4)已知：肯定条件下，MnO可与Mn2＋反应生成MnO2。
①向Ⅲ的沉淀中加入浓HCl并加热，能说明沉淀中存在MnO2的现象是________________________________________。
②Ⅳ中加入MnSO4的目的是_____________________________。
解析　由题给条件，加入过量稀硫酸，发生反应：Al2O3＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2O，FeO·xFe2O3＋(3x＋1)H2SO4===FeSO4＋xFe2(SO4)3＋(3x＋1)H2O，过滤后得到的滤液为Al2(SO4)3、FeSO4、Fe2(SO4)3和硫酸的混合溶液，滤渣为SiO2；向滤液中加入过量的高锰酸钾溶液，目的是将Fe2＋全部氧化为Fe3＋，然后调整pH约为3，由题给表格(生成氢氧化物沉淀的pH)信息知，此时Fe3＋全部转化为氢氧化铁沉淀，上层溶液为KMnO4和硫酸铝，依据题给信息，肯定条件下，MnO可与Mn2＋反应生成MnO2，从而把上层溶液中的MnO除去，最终浓缩、结晶、分别，得到产品。(1)H2SO4溶解Al2O3的离子方程式是Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O。(2)由题意，在酸性条件下高锰酸钾把Fe2＋氧化成Fe3＋，所以反应物中添上H＋，生成物中添上H2O，配平得：MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O。(3)步骤Ⅱ的目的是将Fe2＋全部氧化为Fe3＋，然后调整pH约为3，使Fe3＋全部转化为Fe(OH)3沉淀。(4)①依据反应：MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O可知，有黄绿色气体产生时说明沉淀中有MnO2；②加入MnSO4可除去过量的MnO。
答案　(1)Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O
(2)5　8H＋　5　4H2O
(3)pH约为3时，Fe2＋和Al3＋不能形成沉淀，将Fe2＋氧化为Fe3＋，可使铁完全沉淀
(4)①生成黄绿色气体　②除去过量的MnO
3．(14分)(2021·广东)银铜合金广泛用于航空工业。从切割废料中回收银并制备铜化工产品的工艺如下：

(注：Al(OH)3和Cu(OH)2开头分解的温度分别为450 ℃和80 ℃)
(1)电解精炼银时，阴极反应式为__________________；滤渣A与稀HNO3反应，产生的气体在空气中快速变为红棕色，该气体变色的化学反应方程式为_________________________________________
_________________________________________________________。
(2)固体混合物B的组成为________；在生成固体B的过程中，需把握NaOH的加入量。若NaOH过量，则因过量引起的反应的离子方程式为__________________________________________。
(3)完成煅烧过程中一个反应的化学方程式：________CuO＋______Al2O3______CuAlO2＋______↑。
(4)若银铜合金中铜的质量分数为63.5%，理论上5.0 kg废料中的铜可完全转化为________mol CuAlO2，至少需要1.0 mol·L－1的Al2(SO4)3溶液________L。
(5)CuSO4溶液也可用于制备胆矾，其基本操作是________、过滤、洗涤和干燥。
解析　(1)电解精炼银时，阴极反应式为Ag＋＋e－===Ag；气体变色是由于发生反应：2NO＋O2===2NO2。(2)结合工艺流程及Al(OH)3和Cu(OH)2的分解温度知固体混合物B含有CuO、Al(OH)3。若NaOH过量，则Al(OH)3会转化为NaAlO2。(3)该反应为氧化还原反应，依据得失电子守恒、原子守恒确定缺项物质并配平方程式。(4)生成CuAlO2的物质的量为＝50(mol)，至少需要Al2(SO4)3的物质的量为25 mol，即至少需要1.0 mol·L－1的Al2(SO4)3溶液25 L。(5)由CuSO4溶液制备胆矾需要的操作为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤和干燥。
答案　(1)Ag＋＋e－===Ag　2NO＋O2===2NO2
(2)CuO、Al(OH)3　Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O
(3)4　2　4　O2
(4)50　25
(5)蒸发浓缩、冷却结晶
4．(14分)(2021·江苏)氧化镁在医药、建筑等行业应用广泛。硫酸镁还原热解制备高纯氧化镁是一种新的探究。以菱镁矿(主要成分为MgCO3，含少量FeCO3)为原料制备高纯氧化镁的试验流程如下：

(1)MgCO3与稀硫酸反应的离子方程式为__________________
_________________________________________________________。
(2)加入H2O2氧化时，发生反应的化学方程式为
______________________________________________________。
(3)滤渣2的成分是_____________________________(填化学式)。
(4)煅烧过程存在以下反应：
2MgSO4＋C2MgO＋2SO2↑＋CO2↑
MgSO4＋CMgO＋SO2↑＋CO↑
MgSO4＋3CMgO＋S↑＋3CO↑
利用如图装置对煅烧产生的气体进行分步吸取或收集。

①D中收集的气体是________(填化学式)。
②B中盛放的溶液可以是________(填选项字母)。
a．NaOH溶液 b．Na2CO3溶液
c．稀硝酸 d．KMnO4溶液
③A中得到的淡黄色固体能与热的NaOH溶液反应，产物中元素的最高价态为＋4，写出该反应的离子方程式：_________________________________________________。
解析　(1)MgCO3与稀硫酸发生复分解反应。(2)加入H2O2将FeSO4氧化为Fe2(SO4)3。(3)加入NH3·H2O调整pH≈4是为了沉淀Fe3＋，因此滤渣2的成分为Fe(OH)3。(4)①煅烧产生的气体为SO2、CO2、CO，B为吸取SO2，C为吸取CO2(由于假如先吸取CO2，则SO2同时被吸取)，则D中收集的气体为CO。②依据SO2具有还原性，吸取SO2可以选用KMnO4溶液。③淡黄色固体为S，与NaOH发生氧化还原反应，生成Na2SO3，依据得失电子守恒可配平化学方程式。
答案　(1)MgCO3＋2H＋===Mg2＋＋CO2↑＋H2O
(2)2FeSO4＋H2O2＋H2SO4===Fe2(SO4)3＋2H2O
(3)Fe(OH)3
(4)①CO　②d　③3S＋6OH－2S2－＋SO＋3H2O
5．(14分)(2021·重庆)某争辩小组利用如图装置探究温度对CO还原Fe2O3的影响(固定装置略)。

(1)MgCO3的分解产物为________。
(2)装置C的作用是________，处理尾气的方法为________。
(3)将争辩小组分为两组，按如图装置进行对比试验，甲组用酒精灯、乙组用酒精喷灯对装置D加热，反应产物均为黑色粉末(纯洁物)。两组分别用产物进行以下试验。
步骤
操作
甲组现象
乙组现象
1
取黑色粉末加入稀盐酸
溶解，
无气泡
溶解，
有气泡
2
取步骤1中溶液，滴加K3[Fe(CN)6]溶液
蓝色沉淀
蓝色沉淀
3
取步骤1中溶液，滴加KSCN溶液
变红
无现象
4
向步骤3溶液中滴加新制氯水
红色褪去
先变红，
后褪色
①乙组得到的黑色粉末是________。
②甲组步骤1中反应的离子方程式为_____________________。
③乙组步骤4中，溶液变红的缘由为_______________________；溶液褪色可能的缘由及其验证方法为________________。
④从试验平安考虑，如图装置还可实行的改进措施是______________。
解析　(1)MgCO3的分解类似于CaCO3。(2)Zn粉与CO2反应制备CO时，CO2可能过量，C中氢氧化钠溶液可将过量的CO2除去。尾气中的CO会污染空气，可用点燃的方法除去。(3)①依据表格中的信息可知，甲、乙两组试验所得黑色固体分别是Fe3O4、Fe。②Fe3O4可视为FeO·Fe2O3。FeO、Fe2O3与盐酸反应的化学方程式分别为FeO＋2HCl===FeCl2＋H2O、Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O，叠加得Fe3O4＋8HCl===FeCl2＋2FeCl3＋4H2O，改写成离子方程式为Fe3O4＋8H＋===2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O。③乙组试验步骤3得到的溶液中含有Fe2＋而无Fe3＋，滴加新制氯水变红是由于Fe2＋被氧化为Fe3＋，溶液随后褪色，可能是由于Cl2将SCN－氧化，欲验证此结论是否正确，可向溶液中重新滴加KSCN溶液，观看是否重新消灭红色。若消灭红色，则假设成立，否则不成立。④B装置温度较高，若发生倒吸，则会造成玻璃管炸裂，因此可在装置B、C之间增加防倒吸装置。
答案　(1)MgO、CO2
(2)除CO2　点燃
(3)①Fe　②Fe3O4＋8H＋===2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O　③Fe2＋被氧化为Fe3＋，遇SCN－显红色　假设SCN－被Cl2氧化，向溶液中加入KSCN溶液，若消灭红色，则假设成立(其他合理答案均可)
④在装置B、C之间添加装置E防倒吸(其他合理答案均可)
6．(16分)(2021·福建)固体硝酸盐加热易分解且产物较简单。某学习小组以Mg(NO3)2为争辩对象，拟通过试验探究其热分解的产物，提出如下4种猜想：甲：Mg(NO2)2、NO2、O2，乙：MgO、NO2、O2，丙：Mg3N2、O2，丁：MgO、NO2、N2
(1)试验前，小组成员经过争辩认定猜想丁不成立，理由是__________________________________________________________。
查阅资料得知：2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O
针对甲、乙、丙猜想，设计如图所示的试验装置(图中加热、夹持仪器等均省略)：

(2)试验过程
①仪器连接后，放入固体试剂之前，关闭k，微热硬质玻璃管(A)，观看到E中有气泡连续放出，表明
______________________________________________________。
②称取Mg(NO3)2固体3.7 g置于A中，加热前通入N2以驱尽装置内的空气，其目的是______________________________________；关闭k，用酒精灯加热时，正确操作是先________，然后固定在管中固体部位下加热。
③观看到A中有红棕色气体消灭，C、D中未见明显变化。
④待样品完全分解，A装置冷却至室温、称量，测得剩余固体的质量为1.0 g。
⑤取少量剩余固体于试管中，加入适量水，未见明显现象。
(3)试验结果分析争辩
①依据试验现象和剩余固体的质量经分析可初步确认猜想________是正确的。
②依据D中无明显现象，一位同学认为不能确认分解产物中有O2，由于若有O2，D中将发生氧化还原反应：_____________________(填写化学方程式)，溶液颜色会褪去；小组争辩认定分解产物中有O2存在，未检测到的缘由是_____________________________________________________。
③小组争辩后达成的共识是上述试验设计仍不完善，需改进装置进一步争辩。
解析　(1)依据猜想丁，Mg(NO3)2―→MgO＋NO2＋N2，只有N元素价态降低，没有元素价态上升，不符合氧化还原反应原理。(2)①该步骤是检查装置的气密性，依据现象可知该装置气密性良好。②装置中的空气中含有O2，甲、乙、丙猜想都有O2生成，若不用N2驱尽装置中的O2，将对分解产生的O2的检验产生干扰。用酒精灯加热时，为防止试管受热不均而裂开，首先应来回移动酒精灯加热硬质玻璃管，使其受热均匀后再集中加热。(3)①依据试验过程③的现象可知，产物中有NO2，排解丙。猜想乙的分解反应为：2Mg(NO3)22MgO＋4NO2↑＋O2↑，依据差值法，296 g Mg(NO3)2分解得到80 g MgO，则3.7 g Mg(NO3)2可得1.0 g MgO，与题设数据吻合，可见猜想乙成立。②分解产生的NO2、O2可与B装置中的NaOH溶液发生反应4NO2＋O2＋2H2O===4HNO3，所以无法用D装置中的Na2SO3溶液检测O2的存在。若有O2，Na2SO3被O2氧化为Na2SO4，导致D中溶液颜色消逝，反应方程式为2Na2SO3＋O2===2Na2SO4。
答案　(1)不符合氧化还原反应原理(或其他合理答案)
(2)①装置气密性良好　②避开对产物O2的检验产生干扰(或其他合理答案)　移动酒精灯预热硬质玻璃管
(3)①乙　②2Na2SO3＋O2===2Na2SO4　O2在通过装置B时已参与反应(或其他合理答案)
7．(16分)(2021·江苏)柠檬酸亚铁(FeC6H6O7)是一种易吸取的高效铁制剂，可由绿矾(FeSO4·7H2O)通过下列反应制备：
FeSO4＋Na2CO3===FeCO3↓＋Na2SO4
FeCO3＋C6H8O7===FeC6H6O7＋CO2↑＋H2O
下表列出了相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(开头沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 mol·L－1计算)。
金属离子
开头沉淀的pH
沉淀完全的pH
Fe3＋
1.1
3.2
Al3＋
3.0
5.0
Fe2＋
5.8
8.8
(1)制备FeCO3时，选用的加料方式是________(填选项字母，)缘由是______________________________________________。
a．将FeSO4溶液与Na2CO3溶液同时加入到反应容器中
b．将FeSO4溶液缓慢加入到盛有Na2CO3溶液的反应容器中
c．将Na2CO3溶液缓慢加入到盛有FeSO4溶液的反应容器中
(2)生成的FeCO3沉淀需经充分洗涤，检验洗涤是否完全的方法是_______________________________________________________。
(3)将制得的FeCO3加入到足量柠檬酸溶液中，再加入少量铁粉，80 ℃下搅拌反应。
①铁粉的作用是_______________________________________。
②反应结束后，无需过滤，除去过量铁粉的方法是
______________________________________________________。
(4)最终溶液经浓缩、加入适量无水乙醇、静置、过滤、洗涤、干燥，获得柠檬酸亚铁晶体。分别过程中加入无水乙醇的目的是______________________________________________________。

(5)某争辩性学习小组欲从硫铁矿烧渣(主要成分为Fe2O3、SiO2、Al2O3)动身，先制备绿矾，再合成柠檬酸亚铁。请结合右图的绿矾溶解度曲线，补充完整由硫铁矿烧渣制备FeSO4·7H2O晶体的试验步骤(可选用的试剂：铁粉、稀硫酸和NaOH溶液)：向肯定量烧渣中加入足量的稀硫酸充分反应，______________________，得到FeSO4溶液，____________________________，得到FeSO4·7H2O晶体。
解析　(1)碳酸钠溶液水解显碱性，Fe2＋在碱性环境中会生成氢氧化亚铁沉淀，故应在硫酸亚铁中加入碳酸钠溶液。(2)检验FeCO3沉淀是否洗涤洁净，即检验洗涤液中是否含有SO，可以用酸化的氯化钡溶液检验，若无白色沉淀产生，则表明已洗涤洁净。(3)Fe2＋具有还原性，易被空气中的氧气氧化，加入铁粉可以防止其被氧化。铁可与酸(柠檬酸)反应，故可用柠檬酸直接处理多余的铁粉，使之生成柠檬酸亚铁。(4)加入乙醇可以抑制柠檬酸亚铁在水中的溶解，提高柠檬酸亚铁的产率。(5)硫铁矿烧渣与稀硫酸反应，生成硫酸铁和硫酸铝，二氧化硅不溶于稀硫酸，故接下来的操作是“过滤”，滤液中含有铁离子和铝离子，向滤液中加入足量的强碱，铁离子以沉淀的形式析出，铝元素以偏铝酸根离子的形式存在于溶液中，再过滤，滤渣为氢氧化铁，加硫酸得到硫酸铁，然后再加铁粉生成硫酸亚铁；最终加热浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、低温干燥，即得硫酸亚铁晶体(绿矾)。
答案　(1)c　避开生成Fe(OH)2沉淀
(2)取最终一次的洗涤滤液1～2 mL于试管中，向其中滴加用盐酸酸化的BaCl2溶液，若无白色沉淀产生，则表明已洗涤洁净
(3)①防止＋2价的铁元素被氧化　②加入适量柠檬酸让铁粉反应完全
(4)降低柠檬酸亚铁在水中的溶解量，有利于晶体析出
(5)过滤，向反应液中加入足量的铁粉，充分搅拌后，滴加NaOH溶液调整反应液的pH约为5，过滤(或过滤，向滤液中滴加过量的NaOH溶液，过滤，充分洗涤固体，向固体中加入足量稀硫酸至固体完全溶解，再加入足量的铁粉，充分搅拌后，过滤)　(滴加稀硫酸酸化)，加热浓缩得到60 ℃饱和溶液，冷却至0 ℃结晶，过滤，少量冰水洗涤，低温干燥