专题2 工艺流程题（真题汇编）-2021年高考二轮模块化复习之《元素化合物》名师讲案与提分特训（解析版）

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专题二工艺流程题

(2016-2020 年高考真题汇编)

1．【2020•新课标Ⅰ卷】钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以+3、+4、+5 价的化合物存在，还包括钾、

镁的铝硅酸盐，以及 SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备 NH4VO3。

该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的 pH 如下表所示：

金属离子 Fe3+ Fe2+ Al3+ Mn2+

开始沉淀 pH 1.9 7.0 3.0 8.1

完全沉淀 pH 3.2 9.0 4.7 10.1

回答下列问题：

(1)“酸浸氧化”需要加热，其原因是___________。

(2)“酸浸氧化”中，VO+和VO2+被氧化成 VO2+，同时还有___________离子被氧化。写出 VO+转化为

VO2+反应的离子方程式___________。

(3)“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为 V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子

K+、Mg2+、Na+、___________，以及部分的___________。

(4)“沉淀转溶”中，V2O5·xH2O转化为钒酸盐溶解。滤渣③的主要成分是___________。

(5)“调pH”中有沉淀生产，生成沉淀反应的化学方程式是___________。

(6)“沉钒”中析出 NH4VO3晶体时，需要加入过量 NH4Cl，其原因是___________。

【答案】(1)加快酸浸和氧化反应速率(促进氧化完全)

(2)Fe2+ VO++MnO2+2H+= VO2++Mn2++H2O

(3)Mn2+ Fe3+、Al3+ (4)Fe(OH)3

(5)NaAlO2+HCl+H2O=NaCl+Al(OH)3↓或Na[Al(OH)4]+HCl= NaCl+Al(OH)3↓+H2O

(6)利用同离子效应，促进 NH4VO3尽可能析出完全

【解析】(1)“酸浸氧化”需要加热，其原因是：升高温度，加快酸浸和氧化反应速率(促进氧化完全)；

(2)“酸浸氧化”中，钒矿粉中的 Fe3O4与硫酸反应生成 FeSO4、Fe2(SO4)3和水，MnO2具有氧化性，Fe2+具有

还原性，则 VO+和VO2+被氧化成 VO2+的同时还有 Fe2+被氧化，反应的离子方程式为 MnO2+2Fe2++4H+=Mn2+

+2Fe3++2H2O；VO+转化为 VO2+时，钒元素的化合价由+3 价升至+5 价，1molVO+失去 2mol 电子，MnO2被

还原为 Mn2+，Mn 元素的化合价由+4 价降至+2 价，1molMnO2得到 2mol 电子，根据得失电子守恒、原子守

恒和电荷守恒，VO+转化为 VO2+反应的离子方程式为 VO++MnO2+2H+= VO2++Mn2++H2O；(3)根据分析，

“中和沉淀”中，钒水解并沉淀为 V2O5·xH2O，随滤液②可除去金属离子 K+、Mg2+、Na+、Mn2+，以及部

分的 Fe3+、Al3+；(4)根据分析，滤渣③的主要成分是 Fe(OH)3；(5)“调pH”中有沉淀生成，是 NaAlO2与HCl

反应生成 Al(OH)3沉淀，生成沉淀反应的化学方程式是 NaAlO2+HCl+H2O=NaCl+Al(OH)3↓或

Na[Al(OH)4]+HCl= NaCl+Al(OH)3↓+H2O；(6)“沉钒”中析出 NH4VO3晶体时，需要加入过量 NH4Cl，其原因

是：增大 NH4+离子浓度，利用同离子效应，促进 NH4VO3尽可能析出完全。

2．【2020•新课标Ⅲ卷】某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属 Ni、Al、Fe 及其氧化物，还有

少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)：

溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的 pH 如下表所示：

金属离子 Ni2+ Al3+ Fe3+ Fe2+

开始沉淀时(c=0.01 mol·L−1)的pH

沉淀完全时(c=1.0×10−5 mol·L−1)的pH

7.2

8.7

3.7

4.7

2.2

3.2

7.5

9.0

回答下列问题：

(1)“碱浸”中 NaOH 的两个作用分别是______________。为回收金属，用稀硫酸将“滤液①”调为中

性，生成沉淀。写出该反应的离子方程式______________。

(2)“滤液②”中含有的金属离子是______________。

(3)“转化”中可替代 H2O2的物质是______________。若工艺流程改为先“调 pH”后“转化”，即

“滤液③”中可能含有的杂质离子为______________。

(4)利用上述表格数据，计算 Ni(OH)2的Ksp=______________(列出计算式)。如果“转化”后的溶液中

Ni2+浓度为 1.0 mol·L−1，则“调 pH”应控制的 pH 范围是______________。

(5)硫酸镍在强碱溶液中用 NaClO 氧化，可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的 NiOOH。写出该反应的

离子方程式______________。

(6)将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，其意义是______________。

【答案】(1)除去油脂、溶解铝及其氧化物

AlO2-+H++H2O=Al(OH)3↓或[Al(OH)4]- +H+=Al(OH)3↓+H2O

(2)Ni2+、Fe2+、Fe3+ (3)O2或空气 Fe3+

(4) 3.2~6.2

(5)2Ni2++ClOˉ+4OHˉ=2NiOOH↓+Clˉ+H2O (6)提高镍回收率

【解析】由工艺流程分析可得，向废镍催化剂中加入 NaOH 溶液进行碱浸，可除去油脂，并发生反应

2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑、2Al2O3+4NaOH=4NaAlO2+2H2O将Al 及其氧化物溶解，得到的滤液①

含有 NaAlO2，滤饼①为 Ni、Fe 及其氧化物和少量其他不溶性杂质，加稀 H2SO4酸浸后得到含有

Ni2+、Fe2+、Fe3+的滤液②，Fe2+经H2O2氧化为 Fe3+后，加入 NaOH 调节 pH 使Fe3+转化为 Fe(OH)3沉淀除去，

再控制 pH 浓缩结晶得到硫酸镍的晶体。(1)根据分析可知，向废镍催化剂中加入 NaOH 溶液进行碱浸，可

除去油脂，并将 Al 及其氧化物溶解，滤液①中含有 NaAlO2(或Na[Al(OH)4])，加入稀硫酸可发生反应 AlO2-

+H++H2O=Al(OH)3↓或[Al(OH)4]- +H+=Al(OH)3↓+H2O；(2)加入稀硫酸酸浸，Ni、Fe 及其氧化物溶解，所以

“滤液②”中含有的金属离子是 Ni2+、Fe2+、Fe3+；(3)“转化”在 H2O2的作用是将 Fe2+氧化为 Fe3+，可用 O2

或空气替代；若将工艺流程改为先“调 pH”后“转化”，会使调 pH 过滤后的溶液中含有 Fe2+，则滤液③中

可能含有转化生成的 Fe3+；(4)由上述表格可知，Ni2+完全沉淀时的 pH=8.7，此时 c(Ni2+)=1.0×10-5mol·L-

1，c(H+)=1.0×10-8.7mol·L-1，则 c(OH-)= ，则 Ni(OH)2的

；或者当 Ni2+开始沉淀时 pH=7.2，此时 c(Ni2+)=0.01mol·L-

1，c(H+)=1.0×10-7.2mol·L-1，则 c(OH-)= ，则 Ni(OH)2的

；如果“转化”后的溶液中 Ni2+浓度为 1.0mol·L-1，为避免镍离子沉

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