高中化学难溶电解质的溶解平衡及沉淀转化的本质实验题

高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿（还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素）制备，工艺如下图所示。回答下列问题：

相关金属离子[ $c_0(Mn+)=0.1mol·L^{-1}$ ]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

金属离子	$M{n}^{2+}$	$F{e}^{2+}$	$F{e}^{3+}$	$A{l}^{3+}$	$M{g}^{2+}$	$Z{n}^{2+}$	$N{i}^{2+}$
开始沉淀的pH	8.1	6.3	1.5	3.4	8.9	6.2	6.9
沉淀完全的pH	10.1	8.3	2.8	4.7	10.9	8.2	8.9

（1）"滤渣1"含有S和________；写出"溶浸"中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式________。    

（2）"氧化"中添加适量的 $Mn{O}_2$ 的作用是将________。    

（3）"调pH"除铁和铝，溶液的pH范围应调节为________~6之间。    

（4）"除杂1"的目的是除去 $Z{n}^{2+}$ 和 $N{i}^{2+}$ ， "滤渣3"的主要成分是________。

（5）"除杂2"的目的是生成 $Mg{F}_2$ 沉淀除去 $M{g}^{2+}$ 。若溶液酸度过高， $M{g}^{2+}$ 沉淀不完全，原因是________。   

（6）写出"沉锰"的离子方程式________。    

（7）层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为 $LiN{i}_{x}C{o}_{y}M{n}_z{O}_2$ ， 其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。当 $x=y=\frac{1}{3}$ 时， z=________。    

硫代硫酸钠晶体（ $N{a}_2{S}_2{O}_3·5H_{2}O，M=248g·mo{l}^{-1}$ ）可用作定影剂、还原剂。回答下列问题：   

（1）已知： $K_{sp}\left(BaS{O}_4\right)=1.1\times {10}^{-10}$ ， $K_{sp}\left(Ba{S}_2{O}_3\right)=4.1\times {10}^{-5}$ 。市售硫代硫酸钠中常含有硫酸根杂质，选用下列试剂设计实验方案进行检验：

试剂：稀盐酸、稀 $H_{2}S{O}_4$ 、 $BaC{l}_2$ 溶液、 $N{a}_{2}C{O}_3$ 溶液、 $H_2{O}_2$ 溶液

（2）利用 $K_{2}C{r}_2{O}_7$ 标准溶液定量测定硫代硫酸钠的纯度。测定步骤如下：

①溶液配制：称取 $1.2000g$ 某硫代硫酸钠晶体样品，用新煮沸并冷却的蒸馏水在________中溶解，完全溶解后，全部转移至 $100mL$ 的________中，加蒸馏水至________。

②滴定：取 $0.00950mol·L^{-1}$ 的 $K_{2}C{r}_2{O}_7$ 标准溶液 $20.00mL$ ，硫酸酸化后加入过量KI，发生反应： $C{r}_2{O_7}^{2-}+6I^{-}+{14}^{H+}=3I_2+2C{r}^{3+}+7H_{2}O$ 。然后用硫代硫酸钠样品溶液滴定至淡黄绿色，发生反应： $I_2+2S_2{O_3}^{2-}=S_4{O_6}^{2-}+2I^{-}$ 。加入淀粉溶液作为指示剂，继续滴定，当溶液________，即为终点。平行滴定3次，样品溶液的平均用量为 $24.80mL$ ，则样品纯度为________%（保留1位小数）。

$L{i}_{4}T{i}_3{O}_{12}$ 和 $LiFeP{O}_4$ 都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿（主要成分为 $FeTi{O}_3$ ， 还含有少量MgO、 $Si{O}_2$ 等杂质）来制备，工艺流程如下：

回答下列问题：

（1）"酸浸"实验中，铁的浸出率结果如下图所示．由图可知，当铁的净出率为70%时，所采用的实验条件为________．

（2）"酸浸"后，钛主要以 $TiOC{l_4}^{2﹣}$ 形式存在，写出相应反应的离子方程式________．

（3） $Ti{O}_2•x{H}_{2}O$ 沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示:

$Ti{O}_2•x{H}_{2}O$

温度/℃	30	35	40	45	50
92	95	97	93	88

分析40℃时 $Ti{O}_2•x{H}_{2}O$ 转化率最高的原因________．

（4） $L{i}_{2}T{i}_5{O}_{15}$ 中Ti的化合价为+4，其中过氧键的数目为________．

（5）若"滤液②"中 $c（M{g}^{2+}）=0.02mol•L^{﹣1}$ ， 加入双氧水和磷酸（设溶液体积增加1倍），使 $F{e}^{3+}$ 恰好沉淀完全即溶液中 $c（F{e}^{3+}）=1.0\times {10}^{﹣5}$ ， 此时是否有 $M{g}_3（P{O}_4{）}_2$ 沉淀生成？________（列式计算）． $FeP{O}_4$ 、 $M{g}_3（P{O}_4{）}_2$ 的分别为 $1.3\times {10}^{﹣22}$ 、 $1.0\times {10}^{﹣24}$

（6）写出"高温煅烧②"中由FePO ₄制备 $LiFeP{O}_4$ 的化学方程式________．

煤燃烧排放的烟含有 $S{O}_2$ 和 $N{O}_x$ ， 形成酸雨、污染大气，采用 $NaCl{O}_2$ 溶液作为吸收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝．回答下列问题：

（1） $NaCl{O}_2$ 的化学名称为________．

（2）在鼓泡反应器中通入含 $S{O}_2$ 、 $N{O}_x$ 的烟气，反应温度323K， $NaCl{O}_2$ 溶液浓度为 $5\times {10}^{﹣ 3}mol•L^{﹣ 1}$ ． 反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如表．

离子	$SO{4}^{2 ﹣}$	$S{O_3}^{2 ﹣}$	$N{O_3}^{﹣}$	$N{O_2}^{﹣}$	$C{l}^{﹣}$
c/ $（mol•L^{﹣1}）$	$8.35\times {10}^{﹣4}$	$6.87\times {10}^{﹣6}$	$1.5\times {10}^{﹣4}$	$1.2\times {10}^{﹣5}$	$3.4\times {10}^{﹣3}$

①写出 $NaCl{O}_2$ 溶液脱硝过程中主要反应的离子方程式________．增加压强，NO的转化率________（填"提高"、"不变"或"降低"）．

②随着吸收反应的进行，吸收剂溶液的pH逐渐________（填"增大"、"不变"或"减小"）．

③由实验结果可知，脱硫反应速率________脱硝反应速率（填"大于"或"小于"）原因是除了 $S{O}_2$ 和NO在烟气中初始浓度不同，还可能是________．

（3）在不同温度下， $NaCl{O}_2$ 溶液脱硫、脱硝的反应中 $S{O}_2$ 和NO的平衡分压 $p_0$ 如图所示．

①由图分析可知，反应温度升高，脱硫、脱硝反应的平衡常数均______（填"增大"、"不变"或"减小"）．

②反应 $Cl{O}_2{ }^{﹣}+2S{O_3}^2 ﹣═2S{O_4}^{2 ﹣}+C{l}^{﹣}$ 的平衡常数K表达式为________．

（4）如果采用 $NaClO$ 、 $Ca（Cl{O}_2)$ 替代 $NaCl{O}_2$ ，也能得到较好的烟气脱硫效果．

①从化学平衡原理分析， $Ca（ClO{）}_2$ 相比 $NaClO$ 具有的优点是________．

②已知下列反应：

$S{O}_2（g）+2OH{ }^{﹣}（aq）═S{O_3}^{2 ﹣}（aq）+H_{2}O（1）△H_1$

$ClO{ }^{﹣}（aq）+S{O}_{ 3}{ }^{2 ﹣}（aq）═SO{ }_4{ }^{2 ﹣}（aq）+C{l}^{ ﹣}（aq）△H{ }_2$

$CaS{O}_4（s）═Ca{ }^{2+}（aq）+S{O}_{ 4}{ }^{2 ﹣}（aq）△H{ }_3$

则反应 $S{O}_2（g）+C{a}^{2+}（aq）+Cl{O}^{﹣}（aq）+2O{H}^{﹣}（aq）═CaS{O}_4（s）+H_{2}O（l）+C{l}^{﹣}$ （aq）的△H=________．

元素铬(Cr)在溶液中主要以 ${\mathrm{Cr}}^{3+}$ (蓝紫色)、 $\mathrm{Cr}(\mathrm{OH}{)}_4^{-}$ (绿色)、 ${\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7{}^{2-}$ (橙红色)、 ${\mathrm{CrO}}_4{}^{2-}$ (黄色)等形式存在, $\mathrm{Cr}(\mathrm{OH}{)}_3$ 为难溶于水的灰蓝色固体, 回答下列问题：

（1） ${\mathrm{Cr}}^{3+}$ 与 ${\mathrm{Al}}^{3+}$ 的化学性质相似，在 ${\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3$ 溶液中逐滴加入 $\mathrm{NaOH}$ 溶液直至过量, 可观察到的现象是              。

（2） ${\mathrm{CrO}}_4^{2-}$ 和 ${\mathrm{Cr}}_2{O}_7^{2-}$ 在溶液中可相互转化。室温下，初始浓度为 $1.0\mathit{mol}\bullet L^{-1}$ 的 ${{\mathrm{Na}}_2\mathrm{CrO}}_4$ 溶液中 $c\left({\mathrm{Cr}}_2{O}_7^{2-}\right)$ 随 $c\left({\mathrm{H}}^{+}\right)$ 的变化如图所示。

①用离子方程式表示 ${{\mathrm{Na}}_2\mathrm{CrO}}_4$ 溶液中的转化反应____________。

②由图可知，溶液酸性增大， ${\mathrm{CrO}}_4^{2-}$ 的平衡转化率__________(填"增大"减小"或"不变")。根据A点数据，计算出该转化反应的平衡常数为__________。

③升高温度，溶液中 ${\mathrm{CrO}}_4^{2-}$ 的平衡转化率减小，则该反应的 $△H$ _________(填"大于""小于"或"等于")。

（3）在化学分析中采用 ${{\mathrm{K}}_2\mathrm{CrO}}_4$ 为指示剂，以 $\mathrm{Ag}{\mathit{NO}}_3$ 标准溶液滴定溶液中的Cl ⁻，利用Ag ⁺与 ${\mathrm{Cro}}_4^{2-}$ 生成砖红色沉淀，指示到达滴定终点。当溶液中 ${\mathrm{Cl}}^{-}$ 恰好完全沉淀(浓度等于 $1.0\times {10}^{-5}\mathit{mol}\bullet L^{-1}$ )时，溶液中 $\mathrm{c}\left({\mathrm{Ag}}^{+}\right)$ 为_______ $\mathit{mol}\bullet L^{-1}$ ，此时溶液中 $c\left({\mathrm{CrO}}_4^{2-}\right)$ 等于__________ $\mathit{mol}\bullet L^{-1}$ 。(已知 ${\mathrm{Ag}}_2{\mathrm{CrO}}_4$ 、 $\mathrm{AgCl}$ 的 ${\mathrm{K}}_{\mathrm{sp}}$ 分别为 $2.0\times {10}^{-12}$ 和 $2.0\times {10}^{-10}$ )。

（4）+6价铬的化合物毒性较大，常用 ${\mathrm{NaHSO}}_3$ 将废液中的 ${\mathrm{CrO}}_7^{2-}$ 还原成 ${\mathrm{Cr}}^{3+}$ ，反应的离子方程式为______________。

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。采用如图工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体（NiSO ₄•7H ₂O ）：

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	Ni ^2+	Al ^3+	Fe ^3+	Fe ^2+
开始沉淀时（c＝0.01 mol•L ^﹣ ^1）的pH 沉淀完全时（c＝1.0×10 ^﹣ ^5mol•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H ₂O ₂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K _sp＝ 　　（列出计算式）。如果"转化"后的溶液中Ni ²⁺浓度为1.0mol•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 　　。