《2025年5年高考3年模拟高中化学全一册人教B版》

31.(2024贵州，16，15分)煤气化渣属于大宗固废，主要成分为Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂及少量MgO等。一种利用“酸浸—碱沉—充钠”工艺，制备钠基正极材料NaFePO₄和回收Al₂O₃的流程如下：
煤气化渣$\xrightarrow{浓H_{2}SO_{4}}酸浸\xrightarrow{NaOH溶液}碱沉\xrightarrow{煅烧}\xrightarrow{稀H_{2}SO_{4}、足量Fe}酸化、还原\xrightarrow{NH_{4}H_{2}PO_{4}}水热合成\xrightarrow{}NaFePO_{4}$
滤液1$\xrightarrow{过量X}除杂\xrightarrow{}Mg(OH)_{2}$
滤液2$\xrightarrow{稳定剂}水解\xrightarrow{}Al(OH)_{3}晶种\xrightarrow{焙烧}Al_{2}O_{3}$
　
已知：
①25℃时，$K_{sp}[Fe(OH)_{3}]=2.8×10^{-39}$，$K_{sp}[Al(OH)_{3}]=1.3×10^{-33}$，$K_{sp}[Mg(OH)_{2}]=5.6×10^{-12}$；
②$2Na[Al(OH)_{4}](aq)\xrightarrow[加热溶出]{Al(OH)_{3}晶种}Al_{2}O_{3}·3H_{2}O(s)+2NaOH(aq)$。
回答下列问题：
（1）“滤渣”的主要成分为________（填化学式）。
（2）25℃时，“碱沉”控制溶液pH至3.0，此时溶液中$c(Fe^{3+})=$________mol·L⁻¹。
（3）“除杂”时需加入的试剂X是________。
（4）“水热合成”中，NH₄H₂PO₄作为磷源，“滤液2”的作用是______________________，水热合成NaFePO₄的离子方程式为________。
（5）“煅烧”得到的物质也能合成钠基正极材料NaFeO₂，其工艺如下：
$\xrightarrow{C}碳热还原\xrightarrow{Na_{2}CO_{3}、空气}焙烧\xrightarrow{}NaFeO₂$
　
①该工艺经碳热还原得到Fe₃O₄，“焙烧”生成NaFeO₂的化学方程式为______________。
②NaFeO₂的晶胞结构示意图如甲所示。每个晶胞中含有NaFeO₂的单元数有____个。
　　　　
③若“焙烧”温度为700℃，$n(Na_{2}CO_{3}):n(Fe_{3}O_{4})=9:8$时，生成纯相Na₁₋ₓFeO₂，则x =________，其可能的结构示意图为________（选填“乙”或“丙”）。

答案： 答案
(1)${SiO2}$
(2)$2.8\times10^{-6}$
(3)${NaOH}$溶液
(4)提供${Na+}$ ${Fe^{2+} + Na+ + H2PO4^{-} + 2OH^{-} = NaFePO4↓ + 2H2O}$
(5)①${4Fe3O4 + 6Na2CO3 + O2\xlongequal{焙烧}12NaFeO2 + 6CO2}$
②3　③$\frac{1}{4}$　乙
解析　　
(1)“酸浸”过程中${Fe2O3→Fe^{3+}}$，${Al2O3→Al^{3+}}$，${MgO→Mg^{2+}}$，${SiO2}$不参与反应，故“滤渣”的主要成分为${SiO2}$。
(2)$K_{sp}[{Fe(OH)3}]=2.8\times10^{-39}$，$\text{pH}=3.0$时，$c({OH-})=10^{-11}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$，$c({Fe^{3+}})=2.8\times10^{-6}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$。
(3)“除杂”時调节溶液$\text{pH}$使${Mg^{2+}}$沉淀为${Mg(OH)2}$，${Al^{3+}}$转化为$[{Al(OH)4}]^{-}$，故加入的试剂$\text{X}$是${NaOH}$溶液。
(4)水热合成${NaFePO4}$过程中，“酸化、还原”过程主要提供${Fe^{2+}}$，${NH4H2PO4}$提供${H2PO4^{-}}$，产物为${NaFePO4}$，则“滤液2”主要提供${Na+}$。水热合成${NaFePO4}$的离子方程式为${Fe^{2+} + Na+ + H2PO4^{-} + 2OH^{-} = NaFePO4↓ + 2H2O}$。
(5)②根据均摊法，由题图甲可知1个${NaFeO2}$晶胞中含有${Na}$原子的个数为$\frac{1}{8}\times8 + 2 = 3$，故每个晶胞中含有${NaFeO2}$的单元数有3个。③$\frac{n({Na})}{n({Fe})}=\frac{18}{24}=\frac{1 - x}{1}$，解得$x = \frac{1}{4}$，则纯相${Na_{1 - x}FeO2}$为${Na_{\frac{3}{4}}FeO2}$，题图乙、丙所示晶胞中${Fe}$原子和${O}$原子个数与题图甲所示晶胞相同，说明题图乙、丙所示晶胞中含有3个${Na_{\frac{3}{4}}FeO2}$，则含有${Na}$原子的个数为$\frac{9}{4}$，根据均摊法，题图乙中1个晶胞中含${Na}$原子的个数为$\frac{1}{8}\times2 + 2=\frac{9}{4}$，题图丙中1个晶胞中含${Na}$原子的个数为$\frac{1}{8}\times6 + 1=\frac{7}{4}$，故可能的结构示意图为乙。

32.(2024全国甲，26，14分)钴在新能源、新材料领域具有重要用途。某炼锌废渣含有锌、铅、铜、铁、钴、锰的+2价氧化物及锌和铜的单质。从该废渣中提取钴的一种流程如下。
　
注：加沉淀剂使一种金属离子浓度小于等于10⁻⁵mol·L⁻¹，其他金属离子不沉淀，即认为完全分离。
已知：①$K_{sp}(CuS)=6.3×10^{-36}$，$K_{sp}(ZnS)=2.5×10^{-22}$，$K_{sp}(CoS)=4.0×10^{-21}$。
②以氢氧化物形式沉淀时，$lg[c(M)/(mol·L^{-1})]$和溶液pH的关系如图所示。
　　
回答下列问题：
（1）“酸浸”前，需将废渣磨碎，其目的是______________________________。
（2）“酸浸”步骤中，CoO发生反应的化学方程式是____________________________。
（3）假设“沉铜”后得到的滤液中$c(Zn^{2+})$和$c(Co^{2+})$均为0.10mol·L⁻¹，向其中加入Na₂S至Zn²⁺沉淀完全，此时溶液中$c(Co^{2+})=$________mol·L⁻¹，据此判断能否实现Zn²⁺和Co²⁺的完全分离____（填“能”或“不能”）。
（4）“沉锰”步骤中，生成1.0mol MnO₂，产生H⁺的物质的量为________。
（5）“沉淀”步骤中，用NaOH调pH = 4，分离出的滤渣是________。
（6）“沉钴”步骤中，控制溶液pH = 5.0～5.5，加入适量的NaClO氧化Co²⁺，其反应的离子方程式为__________________________。
（7）根据题中给出的信息，从“沉钴”后的滤液中回收氢氧化锌的方法是______________。

答案：
答案
(1)增大接触面积，加快反应速率，提高原料利用率
(2)${CoO + H2SO4 = CoSO4 + H2O}$
(3)$1.6\times10^{-4}$　不能
(4)$4.0\ \text{mol}$
(5)${Fe(OH)3}$
(6)${2Co^{2+} + ClO^{-} + 5H2O = 2Co(OH)3↓ + Cl^{-} + 4H+}$
(7)向滤液中继续加氢氧化钠至溶液$8.2\lt\text{pH}\lt12$，过滤
解析
　
(3)当溶液中${Zn^{2+}}$沉淀完全时，$c({Zn^{2+}})\leqslant1\times10^{-5}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$，此时溶液中$c({S^{2-}})=\frac{K_{sp}({ZnS})}{c({Zn^{2+}})}\geqslant2.5\times10^{-17}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$，此时溶液中$c({Co^{2+}})=\frac{K_{sp}({CoS})}{c({S^{2-}})}\leqslant1.6\times10^{-4}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$，根据上述计算可知，当${Zn^{2+}}$沉淀完全时，${Co^{2+}}$已经部分沉淀，故不能实现二者的完全分离。
(4)“沉锰”步骤中，发生反应的离子方程式为${S2O8^{2-} + Mn^{2+} + 2H2O = 2SO4^{2-} + MnO2↓ + 4H+}$，故当生成$1.0\ \text{mol}\ {MnO2}$时可产生$4.0\ \text{mol}\ {H+}$。
(5)根据题给已知信息②可知，当$\text{pH}=4$时只有${Fe^{3+}}$可转化为沉淀，故滤渣为${Fe(OH)3}$。
(7)“沉钴”后溶液$\text{pH}=5.0～5.5$，此时滤液中的锌元素以${Zn^{2+}}$的形式存在，根据题给已知信息②可知，向滤液中继续加氢氧化钠至溶液$\text{pH}\approx8.2～12$，可将${Zn^{2+}}$完全转化为氢氧化锌且不会再次溶解。