《2025年步步高大二轮专题复习化学》

3. [2024·甘肃，15(1)(2)(3)]我国科研人员以高炉渣(主要成分为$CaO$，$MgO$，$Al_{2}O_{3}$和$SiO_{2}$等)为原料，对炼钢烟气($CO_{2}$和水蒸气)进行回收利用，有效减少了环境污染，主要流程如图所示：
　　
已知：$K_{sp}(CaSO_{4}) = 4.9\times 10^{-5}$，$K_{sp}(CaCO_{3}) = 3.4\times 10^{-9}$。
(1) 高炉渣与$(NH_{4})_{2}SO_{4}$经焙烧产生的“气体”是______________。
(2) “滤渣”的主要成分是$CaSO_{4}$和______________。
(3) “水浸2”时主要反应的化学方程式为______________________________，该反应能进行的原因是______________________________。

答案：
(1)$NH_{3}$
(2)$SiO_{2}$
(3)$CaSO_{4}+(NH_{4})_{2}CO_{3}=CaCO_{3}+(NH_{4})_{2}SO_{4}$ $K_{sp}(CaSO_{4})＞K_{sp}(CaCO_{3})$,微溶的硫酸钙转化为更难溶的碳酸钙
解析
(1)高炉渣的主要成分为 $CaO$、$MgO$、$Al_{2}O_{3}$ 和 $SiO_{2}$ 等,加入 $(NH_{4})_{2}SO_{4}$ 在 $400^{\circ}C$ 下焙烧,生成硫酸钙、硫酸镁、硫酸铝,同时产生气体,该气体与烟气($CO_{2}$ 和水蒸气)反应,生成 $(NH_{4})_{2}CO_{3}$,所以该气体为 $NH_{3}$。
(2)焙烧后的固体有未反应的 $SiO_{2}$ 及反应产生的硫酸钙、硫酸镁、硫酸铝,经过水浸1,然后过滤,滤渣为 $CaSO_{4}$ 以及未反应的 $SiO_{2}$,滤液溶质主要为硫酸镁、硫酸铝及硫酸铵,将滤液浓缩结晶,析出 $NH_{4}Al(SO_{4})_{2}\cdot 12H_{2}O$,剩余富镁溶液。
(3)滤渣含硫酸钙和 $SiO_{2}$,“水浸2”时,由于 $K_{sp}(CaSO_{4})＞K_{sp}(CaCO_{3})$,$CaSO_{4}$ 与加入的 $(NH_{4})_{2}CO_{3}$ 溶液反应转化为更难溶的碳酸钙,反应的化学方程式为 $CaSO_{4}+(NH_{4})_{2}CO_{3}=CaCO_{3}+(NH_{4})_{2}SO_{4}$。

4. [2024·广东，18(1)(2)]镓($Ga$)在半导体、记忆合金等高精尖材料领域有重要应用。一种从电解铝的副产品炭渣(含$C$、$Na$、$Al$、$F$和少量的$Ga$、$Fe$、$K$、$Ca$等元素)中提取镓及循环利用铝的工艺如下。
　　
工艺中，$LAEM$是一种新型阴离子交换膜，允许带负电荷的配离子从高浓度区扩散至低浓度区。用$LAEM$提取金属离子$M^{n + }$的原理如图。已知：①$pK_{a}(HF)=3.2$。②$Na_{3}[AlF_{6}]$(冰晶石)的$K_{sp}$为$4.0\times 10^{-10}$。③浸取液中，$Ga(Ⅲ)$和$Fe(Ⅲ)$以$[MCl_{m}]^{(m - 3)-}$($m = 0\sim 4$)微粒形式存在，$Fe^{2 + }$最多可与2个$Cl^{-}$配位，其他金属离子与$Cl^{-}$的配位可忽略。
(1) “电解”中，反应的化学方程式为______________________________。
(2) “浸取”中，由$Ga^{3 + }$形成$[GaCl_{4}]^{-}$的离子方程式为______________________________。

答案：
(1)$2Al_{2}O_{3}(熔融)\xlongequal[冰晶石]{电解}4Al + 3O_{2}\uparrow$
(2)$Ga^{3+}+4Cl^{-}=[GaCl_{4}]^{-}$
解析 电解铝的副产品炭渣(含 $C$、$Na$、$Al$、$F$ 和少量的 $Ga$、$Fe$、$K$、$Ca$ 等元素)进行焙烧,金属转化为氧化物,焙烧后的固体加入盐酸浸取,浸取液加入铝片将 $Fe^{3+}$ 进行还原,得到原料液,原料液利用 $LAMEA$ 提取,$[GaCl_{4}]^{-}$ 通过交换膜进入Ⅱ室并转化为 $Ga^{3+}$,Ⅱ室溶液进一步处理得到镓,Ⅰ室溶液加入含 $F^{-}$ 的废液调 $pH$ 并结晶得到 $Na_{3}[AlF_{6}]$ 晶体用于电解铝。
(1)“电解”是电解熔融的氧化铝冶炼铝单质,反应的化学方程式为 $2Al_{2}O_{3}(熔融)\xlongequal[冰晶石]{电解}4Al + 3O_{2}\uparrow$。
(2)“浸取”中,由 $Ga^{3+}$ 形成 $[GaCl_{4}]^{-}$ 的离子方程式为 $Ga^{3+}+4Cl^{-}=[GaCl_{4}]^{-}$。

5. [2023·全国乙卷，27(1)(2)(4)(5)(6)]$LiMn_{2}O_{4}$作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿($MnCO_{3}$，含有少量$Si$、$Fe$、$Ni$、$Al$等元素)制备$LiMn_{2}O_{4}$的流程如下：
　　
已知：$K_{sp}[Fe(OH)_{3}]=2.8\times 10^{-39}$，$K_{sp}[Al(OH)_{3}]=1.3\times 10^{-33}$，$K_{sp}[Ni(OH)_{2}]=5.5\times 10^{-16}$。
(1) 硫酸溶矿主要反应的化学方程式为______________________________。为提高溶矿速率，可采取的措施__________________________(举1例)。
(2) 加入少量$MnO_{2}$的作用是__________________________。不宜使用$H_{2}O_{2}$替代$MnO_{2}$，原因是__________________________。
(4) 加入少量$BaS$溶液除去$Ni^{2 + }$，生成的沉淀有______________________。
(5) 在电解槽中，发生电解反应的离子方程式为______________________________。随着电解反应进行，为保持电解液成分稳定，应不断__________________________。电解废液可在反应器中循环利用。
(6) 煅烧窑中，生成$LiMn_{2}O_{4}$反应的化学方程式是______________________________。

答案：
(1)$MnCO_{3}+H_{2}SO_{4}=MnSO_{4}+H_{2}O+CO_{2}\uparrow$ 粉碎菱锰矿(或搅拌、适当升高温度等)
(2)将 $Fe^{2+}$ 氧化为 $Fe^{3+}$ $Mn^{2+}$ 和生成的 $Fe^{3+}$ 可以催化 $H_{2}O_{2}$ 分解
(4)$BaSO_{4}$、$NiS$
(5)$Mn^{2+}+2H_{2}O\xlongequal{电解}H_{2}\uparrow +MnO_{2}\downarrow +2H^{+}$ 加入 $Mn(OH)_{2}$
(6)$2Li_{2}CO_{3}+8MnO_{2}\xlongequal{煅烧}4LiMn_{2}O_{4}+2CO_{2}\uparrow +O_{2}\uparrow$
解析
(4)加入少量 $BaS$ 溶液除去 $Ni^{2+}$,此时溶液中发生反应的离子方程式为 $Ba^{2+}+S^{2 -}+Ni^{2+}+SO_{4}^{2 -}=BaSO_{4}\downarrow +NiS\downarrow$。
(5)在电解槽中,$Mn^{2+}$ 发生反应生成 $MnO_{2}$,离子方程式为 $Mn^{2+}+2H_{2}O\xlongequal{电解}H_{2}\uparrow +MnO_{2}\downarrow +2H^{+}$。

6. [2023·江苏，17(1)]空气中$CO_{2}$含量的控制和$CO_{2}$资源利用具有重要意义。
燃煤烟气中$CO_{2}$的捕集可通过如下所示的物质转化实现。
　　　
“吸收”后所得的$KHCO_{3}$溶液与石灰乳反应的化学方程式为______________________________；载人航天器内，常用$LiOH$固体而很少用$KOH$固体吸收空气中的$CO_{2}$，其原因是______________________________。

答案： $KHCO_{3}+Ca(OH)_{2}=CaCO_{3}+KOH+H_{2}O$ 相同质量的 $LiOH$ 固体可吸收更多二氧化碳
解析 由图可知“吸收”后所得的 $KHCO_{3}$ 溶液与石灰乳反应生成的碳酸钙用于煅烧产生二氧化碳,产物 $KOH$ 可回收利用,故化学方程式为 $KHCO_{3}+Ca(OH)_{2}=CaCO_{3}+KOH+H_{2}O$。