考点15 工艺流程题
1．（2020·济南市历城第二中学月考）明矾[KAl(SO 4)2·12H 2O]在生产、生活中有广泛用途：饮用水的净化；造纸工业上作施胶剂；食品工业的发酵剂等。利用炼铝厂的废料——铝灰(含Al 、Al 2O 3及少量SiO 2和FeO·xFe 2O 3)可制备明矾。工艺流程如图：
回答下列问题：
（1）明矾净水的原理是_______(用离子方程式表示)。 （2）操作Ⅰ名称是_____，操作Ⅰ是____、洗涤、干燥。
（3）检验滤液A 中是否存在Fe 2+的试剂是______(只用一种试剂)。
（4）将铝灰投入氢氧化钠溶液中生成气体的化学方程式是______。 （5）已知：在pH ＝3、加热条件下，MnO 4
可与Mn 2+反应生成MnO 2。加入MnSO 4发生反应的离子方程式为：________，滤渣2含有的物质是_______。 【答案】Al 3++3H 2O ⇌Al(OH)3(胶体)+3H + 过滤 蒸发浓缩、 冷却结晶、过滤 高锰酸钾酸性溶液或铁溶液 2Al+2NaOH+2H 2O=2NaAlO 2+3H 2↑ 3Mn 2++2MnO -4+2H 2O=5MnO 2↓+4H + MnO 2、Fe(OH)3
【解析】
【分析】铝灰(含Al 、Al 2O 3及少量SiO 2和FeO•xFe 2O 3)，加入过量稀硫酸酸溶过滤，滤液为硫酸铝、硫酸亚铁、硫酸铁，滤渣Ⅰ为二氧化硅和不溶性杂质，滤液A 中加入稍过量高锰酸钾溶液氧化亚铁离子为铁离子，调节溶液pH 使铁离子全部沉淀，铝离子不沉淀，加入适量硫酸锰除去过量的高锰酸钾过滤得到二氧化锰固体和氢氧化铁沉淀，滤液主要是硫酸铝溶液，加入硫酸钾蒸发浓缩，冷却结晶过滤洗涤得到硫酸铝钾晶体，以此解答。
【详解】（1）明矾净水时铝离子水解生成氢氧化铝具有吸附悬浮杂质的作用，反应的离子方程式为：Al
3++3H 2O ⇌Al(OH)3(胶体)+3H +，故答案为：Al 3++3H 2O ⇌Al(OH)3(胶体)+3H +；
（2）固体和液体分离需要用过滤操作，操作Ⅰ是过滤，操作Ⅰ是溶液中得到晶体的方法，利用蒸发浓缩冷却结晶，过滤洗涤，干燥得到明矾晶体，故答案为：过滤；蒸发浓缩、 冷却结晶、过滤；
（3）检验亚铁离子用高锰酸钾溶液或铁溶液，滴入高锰酸钾溶液紫红褪去，或加入铁溶液会呈现蓝溶液，故答案为：高锰酸钾酸性溶液或铁溶液；
（4）将铝灰投入氢氧化钠溶液中生成气体的反应是铝和氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，反应的化学方程式：2Al+2NaOH+2H 2O═2NaAlO 2+3H 2↑，故答案为：2Al+2NaOH+2H 2O═2NaAlO 2+3H 2↑；
（5） 在pH=3、加热条件下，MnO 4-可与Mn 2+反应生成MnO 2．加入MnSO 4发生反应，反应的离子方程式
为：3Mn 2++2MnO -4+2H 2O=5MnO 2↓+4H +；过滤得到反应中生成难溶的二氧化锰和沉淀得到的氢氧化铁沉淀，故答案为：3Mn 2++2 MnO -4+2H 2O=5MnO 2 +4H +；MnO 2、Fe(OH)3。
2．（2020·江苏月考）传统的生物脱氮工艺如图所示，生物脱氮主要包括有氧环境下的硝化反应过程和缺氧环境下的反硝化反应过程。硝化过程中，+4NH 先后氧化为-2NO 和-3NO 。 （1）+4NH 在硝化过程中会使溶液酸度提高，需要加入NaHCO 3进行中和。请写出+4NH 硝化生成-2NO 的
离子方程式：______。
（2）①反硝化反应过程中，加入碳源(甲醇等有机物)将硝化反应中生成的-2NO 和-
3NO 还原为N 2，如3CH 3OH+6-2NO =3N 2↑+3CO 2↑+3H 2O+6OH －。新型生物脱氮工艺(SCND)可将硝化过程中的产物控制在-2NO 阶段，防止生成-3NO ，该工艺的优点是_______。
②同步硝化反硝化工艺(SND)将硝化阶段和反硝化阶段放在同一个反应器中进行，该法既有SCND 法的优点，将硝化过程中的产物控制在-2NO 阶段，还有一个优点是______。
③现在很多国家采用半硝化工艺(ANAMMOX)，工作原理如图所示：
半硝化脱氮反应器中，一半的+4NH 氧化成-
2NO ，写出厌氧氨氧化发生反应的离子方程式：_____。该方法
是否需要加入碳源(甲醇)，并简述原因______。
（3）研究发现，脱氮工艺会产生一种温室气体N 2O 。目前普遍认为在硝化阶段会形成 N 2O ，试分析N 2O 的成因_______。
【答案】2+4NH +3O 2=2-2NO +2H 2O+4H ＋ 节省进一步氧化所需的耗氧量，同时减少了反硝化反应中加入
的碳源(甲醇) 硝化产生的酸和反硝化产生的碱中和，减少了NaHCO 3的投加 +4NH +-2
NO =N 2↑+2H 2O 不需要，+4NH 和-2NO 正好反应完全 O 2不足，+4NH 未被完全氧化为-2NO ，N 元素被
氧化为N 2O
【解析】
【分析】
该装置工作原理为：将污水进行氨化产生+4NH ，+4NH 经过硝化过程被氧化成-2NO 和-
3NO (由于酸度提高加入NaHCO 3中和)，后加入碳源将-2NO 和-3NO 经过反硝化过程还原为N 2，由此分析。
【详解】
（1）+4NH 硝化生成-2NO ，反应物为+4NH 、O 2，生成物为-2NO 、H +、H 2O ，其中N 元素化合价从-3价变为+3价，氧气中0价O 元素变为-2价，根据电子守恒配平离子反应为：2+4NH +3O 2=2-2NO +2H 2O+4H ＋； （2）①由于-2NO 转化成为-2NO 需要氧气，控制在-2NO 阶段，可以节省进一步氧化所需的耗氧量，同时减少了反硝化反应中加入的碳源(甲醇)；
②同步硝化反硝化工艺(SND)将硝化阶段和反硝化阶段放在同一个反应器中进行，将硝化过程中的产物控制在-2NO 阶段，硝化产生的酸和反硝化产生的碱中和，减少了NaHCO 3的投加；
③反应物为+4NH 和-2NO ，生成物为N 2和H 2O ，根据化合价的升降相等配平该反应为+4NH +-2NO =N 2↑+2H 2O ；由图可知，厌氧氨氧化过程没有二氧化碳的生成，+4NH 和-2NO 正好反应完全，故不需要碳源(甲醇)；
（3）硝化阶段中，硝化阶段中，由于反应中物质不可能保证所有的接触反应都能完全反应，若O 2不足，故有可能会使部分转化不能完全硝化，故可能生成了中间价态的N 2O 。
3．（2020·北大成都附属实验学校月考）CoCl 2·6H 2O 是一种饲料营养强化剂。一种利用水钴矿(主要成分为Co 2O 3、Co(OH)3，还含少量Fe 2O 3、Al 2O 3、MnO 等)制取CoCl 2·6H 2O 的工艺流程如下：
已知：①浸出液含有的阳离子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Al3+等；
②酸性条件下，ClO3－不会氧化Co2+，ClO3－转化为Cl－；
③部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：(金属离子浓度为：0.01mol/L)
④CoCl2·6H2O熔点为86Ⅰ，加热至110~120Ⅰ时，失去结晶生成无水氯化钴。
请回答：
（1）“加Na2CO3调pH至5.2”，过滤所得到的沉淀Ⅰ成分为___________。
（2）萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系如图所示，萃取剂使用的适宜pH范围是___________。(填选项序号字母)
A 1.0~2.0
B 2.5~3.5
C 4.0~5.0
（3）为测定粗产品中CoCl2·6H2O含量，称取2g的粗产品溶于水，配成100mL溶液，取出20mL置于锥形瓶，加入K2CrO4做指示剂( Ag2CrO4为砖红沉淀)，用0.2mol/L的AgNO3溶液滴定至终点，重复2-3次，平均消耗AgNO3标准溶液10.00mL。该粗产品中CoCl2·6H2O的质量分数为___________。用K2CrO4做指示剂时，需要控制溶液pH值为6.5~10.5，试分析原因______________________。
【答案】Fe(OH)3, Al(OH)3 B 59.5% pH太小K2CrO4氧化Cl-(或转化为Cr2O72-)；pH太大生成Ag(OH)沉淀(或Ag2O沉淀)
【解析】
【分析】
含钴废料中加入盐酸和亚硫酸钠，可得CoCl2、AlCl3、FeCl2、MgCl2、CaCl2、MnCl2，加入NaClO3，可得到FeCl3，然后加入Na2CO3调pH至5.2，可得到Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀，过滤后所得滤液主要含有CoCl2、MgCl2、CaCl2、MnCl2，向溶液中加入NaF溶液，除去钙镁离子，然后过滤得到的滤液中II中加入萃取剂，得到氯化钴。
（1）根据铝离子、铁离子能与碳酸根离子发生双水解生成沉淀和二氧化碳进行解答；
（2）滤液Ⅰ中加入萃取剂的作用是除去锰离子；根据图示选择合适的pH范围；
（3）根据CoCl2·6H2O和AgNO3的物质的量关系，根据用去硝酸银的物质的量计算出CoCl2·6H2O的质量，再用纯物质的质量除以样品的质量得到质量分数。
【详解】
（1）NaClO3的作用是将Fe2+氧化成Fe3+，加Na2CO3调pH至5.2，铝离子与碳酸根离子发生双水解生成氢氧化铝和二氧化碳，水解的离子方程式为：2Al3++3CO32-+3H2O=2Al(OH)3↓+3CO2↑；铁离子能与碳酸根离子发生双水解生成氢氧化铁和二氧化碳，水解的离子方程式为：2Fe3++3CO32-+3H2O=2Fe(OH)3↓+3CO2↑，所以沉淀X的成分为：Fe(OH)3、Al(OH)3；
（2）根据流程图可知，此时溶液中存在Mn2+、Co2+金属离子；由萃取剂对金属离子的萃取率与pH的关系可知，调节溶液pH在2.5～3.5之间，可使Mn2+完全沉淀，并防止Co2+转化为Co(OH)2沉淀，故选B；（3）设纯CoCl2·6H2O的质量为x，1mol氯离子消耗1mol银离子，故1molCoCl2·6H2O消耗2AgNO3，根据CoCl2·6H2O和硝酸银的物质的量关系，
223
CoCl?6H O2AgNO
238g2mol
xg0.2mol/L0.01L
⨯
～
238g2mol
=
xg0.2mol/L0.01L
⨯
，解得：x=0.238g，原来溶液100ml，计算得到氯化钴的质量为20ml的液体，
故要把20ml的溶液换算成100ml溶液，CoCl2·6H2O的纯度为
100
0.238
200
01%=
2g
g
⨯
⨯
59.5% ，pH太小K2CrO4
氧化Cl-(或转化为Cr2O72-)，pH太大生成AgOH沉淀，所以需要控制溶液pH值为6.5～10.5。【点睛】
易错点是需要注意所给溶液的体积，需要将20mL溶液换成100mL溶液中所含氯化钴晶体的质量。4．（2020·湖北荆州·期中）从古至今，铁及其化合物在人类生产生活中的作用发生了巨大变化。（1）自然界中存在游离态的铁，通常称为____________。
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