小專題化工流程中溶度積常數(shù)計(jì)算（定稿）

課題：課題：工藝流程——溶度積計(jì)算工藝流程總第(15)期整理與編輯：沈立鵬一．判斷溶液中沉淀的離子化工流程中，某些金屬離子沉淀或某些金屬離子除雜，需要控制一定的pH，通過溶度積常數(shù)可判斷溶液中沉淀的離子。1．鈧及其化合物具有許多優(yōu)良的性能，在宇航、電子、超導(dǎo)等方面有著廣泛的應(yīng)用。從鈦白工業(yè)廢酸(含鈧、鈦、鐵、錳等離子)中提取氧化鈧(Sc2O3)的一種流程如下：（2）先加入氨水調(diào)節(jié)pH＝3，過濾，濾渣主要成分是__________；再向?yàn)V液加入氨水調(diào)節(jié)pH＝6，濾液中Sc3+的濃度為_____________。（已知：Ksp[Mn(OH)2]＝×10－13、Ksp[Fe(OH)3]＝×10－39，Ksp[Sc(OH)3]＝×10－31）【答案】（2）Fe(OH)3×10－7mol·L－l【解析】（2）廢酸中含鈧、鈦、鐵、錳等離子，洗滌“油相”已除去大量的鈦離子，根據(jù)Ksp[Mn(OH)2]＝×10－13、Ksp[Fe(OH)3]＝×10－39，Ksp[Sc(OH)3]＝×10－31，可以求出余下三種離子沉淀完全（離子濃度小于10－5mol/L）的pH，發(fā)現(xiàn)錳離子沉淀完全時(shí)pH約為10，鈧離子沉淀完全時(shí)pH約為5，而鐵離子沉淀完全時(shí)pH約為4，所以先加入氨水調(diào)節(jié)pH=3，過濾，濾渣主要成分是Fe(OH)3；再向?yàn)V液加入氨水調(diào)節(jié)pH=6，此時(shí)溶液中c(OH-)=10-8mol/L，濾液中Sc3+的濃度為9.0×10二．沉淀完全轉(zhuǎn)化時(shí)所需離子濃度化工流程中原料的溶解或沉淀的轉(zhuǎn)化往往要加入某種試劑，通過溶度積常數(shù)可計(jì)算出所加試劑的濃度。2．鍶（Sr）為第五周期IIA族元素，其化合物六水氯化鍶（SrCl2·6H2O）是實(shí)驗(yàn)室重要的分析試劑，工業(yè)上常以天青石（主要成分為SrSO4）為原料制備，生產(chǎn)流程如下：（3）加入硫酸的目的是______________________。為了提高原料的利用率，濾液中Sr2+的濃度應(yīng)不高于_________mol/L（注：此時(shí)濾液中Ba2+濃度為1×10-5mol/L；SrSO4和BaSO4溶度積常數(shù)依次為3×10-7、1×10-10。）【答案】（3）除去溶液中Ba2+雜質(zhì)【解析】(3)在用HCl溶解SrS后的溶液中加入硫酸的目的是除去溶液中Ba2+雜質(zhì)；由于在Ba2+濃度為1×10-5

mol/L，BaSO4的溶度積常數(shù)為×10-10，所以c(SO42-)=mol/L=×10-5mol/L，而SrSO4的溶度積常數(shù)為×10-7，所以c(Sr2+)=mol/L=×10-2=L，故答案為除去溶液中Ba2+雜質(zhì)；

；3．一種磁性材料的磨削廢料（含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約21%）主要成分是鐵鎳合金，還含有銅、鈣、鎂、硅的氧化物。由該廢料制備純度較高的氫氧化鎳，工藝流程如下（5）已知常溫下Ksp[Ni(OH)2]=×10－15，該流程在“沉鎳”過程中需調(diào)節(jié)溶液pH約為_______，Ni2＋才剛好沉淀完全（離子沉淀完全的濃度≤10－5mol/L；lg2=）【答案】【解析】Ksp[Ni(OH)2]=c(Ni2+)c2(OH-)=×10-5mol/L×c2(OH-)=×10-15，則c(OH-)=×10-5，c(H+)=，該流程在“沉鎳”過程中，需調(diào)節(jié)溶液pH約為時(shí)，Ni2+才剛好沉淀完全。三．判斷判斷沉淀轉(zhuǎn)化的可能性沉淀之間的轉(zhuǎn)化是有條件的，通過溶度積常數(shù)可以判斷沉淀之間的轉(zhuǎn)化可能性。4．一種含鋁、鋰、鈷的新型電子材料，生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料數(shù)量可觀，廢料中的鋁以金屬鋁箔的形式存在；鈷以Co2O3·CoO的形式存在，吸附在鋁箔的單面或雙面：鋰混雜于其中。(已知Co2O3的氧化性>Cl2的氧化性)從廢料中回收氧化鈷(CoO)的工藝流程如下：已知：①CoCO3的溶度積為：Ksp=×10-13；②溶液中離子濃度小于×10-5mol/L時(shí)認(rèn)為該離子沉淀完全。(5)將×10-4mol/LCoSO4與×10-4mol/L的Na2CO3等體積混合，此時(shí)溶液中的Co2+的濃度為__________，Co2+是否沉淀完全?__________(填“是”或“否”)。【解析】將×10-4mol/LCoSO4

與

×10-4mol/L的Na2CO3等體積混合，Co2＋與CO32－反應(yīng)生成CoCO3，離子方程式為：Co2＋+CO32－=CoCO3，由離子方程式可知，反應(yīng)后的溶液中c(CO32－)=(×10-4－×10-4)mol/L÷2=1×10－5mol/L，則反應(yīng)后的溶液中c(Co2＋)==×10-8mol/L，c(Co2＋)＜×10-5mol/L，所以Co2＋沉淀完全，故答案為×10-8mol/L；是；5．一種含鋁、鋰、鈷的新型電子材料，生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料數(shù)量可觀，廢料中的鋁以金屬鋁箔的形式存在；鈷以Co2O3·CoO的形式存在，吸附在鋁箔的單面或雙面；鋰混雜于其中。從廢料中回收氧化鈷（CoO）的工藝流程如下：僅從沉淀轉(zhuǎn)化角度考慮，能否利用反應(yīng)：CoCO3+C2O42-＝CoC2O4+CO32-將CoCO3轉(zhuǎn)化為CoC2O4?____(填“能”或“不能”），說明理由：__________________[已知Ksp(CoCO3)=×10-13,Ksp(CoC2O4)=×10-8]?！敬鸢浮磕茉摲磻?yīng)的平衡常數(shù)K=×l0-6，轉(zhuǎn)化程度極小【解析】因該反應(yīng)的平衡常數(shù)，轉(zhuǎn)化程度極小，所以不能將CoCO3轉(zhuǎn)化為CoC2O4，【對(duì)應(yīng)練習(xí)】1．石棉尾礦主要含有Mg3(Si2O5)(OH)和少量的Fe2O3、Al2O3。以石棉尾礦為鎂源制備碳酸鎂晶體(MgCO3·nH2O)的工藝如圖：已知“焙燒”過程中的主反應(yīng)為：Mg3(Si2O5)(OH)4+5(NH4)2SO43MgSO4+10NH3↑+2SiO2+7H2O↑+2SO3↑（1）①“調(diào)節(jié)pH除雜”時(shí)，除去的雜質(zhì)離子是，室溫下，若要將溶液中的c(Fe3+)降低至×10-11mol/L，則應(yīng)控制溶液的pH=（Ksp[Fe(OH)3]=×10-38）。②“調(diào)節(jié)pH除雜”時(shí)，可以選用的試劑是。A．MgOB．NaOHC．MgCO3D．HNO3【答案】（1）Fe3+、Al3+5【解析】（1）①本流程的目的是：石棉尾礦為鎂源制備碳酸鎂晶體(MgCO3·nH2O)，水浸后溶液中存在的雜質(zhì)離子有Fe3+、Al3+，需要調(diào)節(jié)pH除雜，故答案為：Fe3+、Al3+；室溫下，若要將溶液中的c(Fe3+)降低至×10-11mol/L，根據(jù)Ksp[Fe(OH)3]=×10-38可知Ksp[Fe(OH)3]=，帶入數(shù)據(jù)，解得c(OH-)=×10-9mol·L，c(H+)=×10-9mol·L，pH=5，故答案為：5；②“調(diào)節(jié)pH除雜”時(shí)，需將pH調(diào)至5除去Fe3+、Al3+，并注意不能引入雜質(zhì)，可以選用的試劑是MgO、MgCO3、Mg(OH)2等，故答案為：AC。2．為充分利用資源，變廢為寶，工業(yè)上回收廢舊鋰離子電池來制備鈷鎳錳酸鋰三元正極材料(LiCoxNiyMnzO2，x+y+z=1)，工藝流程如下(正極一般以鋁箔作為基底，兩側(cè)均勻涂覆正極材料，正極材料包括一定配比的活性物質(zhì)，如鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰三元材料)：常溫下，向含Co2+、Ni2+、Mn2+的溶液中加入稀氨水調(diào)c(OH－)=____________，可保證Co2+、Ni2+、Mn2+均沉淀完全。(已知：常溫下Ksp[Co(OH)2]=1×10－15，Ksp[Ni(OH)2]=2×10－15，Ksp[Mn(OH)2]=2×10－13，≈【答案】mol·L-1【解析】常溫下，向含Co2+、Ni2+、Mn2+的溶液中加入稀氨水，使Co2+、Ni2+、Mn2+均沉淀完全，此時(shí)溶液中Co2+、Ni2+、Mn2+的濃度均小于110-5mol·L-1，因?yàn)樗鼈冃纬傻臍溲趸锒际荝(OH)2這個(gè)形式，對(duì)于化學(xué)式中陰陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比相同的，Ksp越小溶解度越小，只要把Ksp最大的Mn(OH)2沉淀完全，其他兩種離子也能沉淀完全，110-5c2(OH-)=2×10－13，c(OH-)mol·L-1；3．2022年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予英、美、日籍的三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)阡囯x子電池研發(fā)領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)。鋰離子電池廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本、電動(dòng)汽車、智能機(jī)器人等產(chǎn)品中。已知鈷酸鋰(LiCoO2)電池中還含有鋁箔、石墨、塑料等，利用以下工藝流程回收廢舊電池中的金屬資源。已知Li2CO3微溶于水，其飽和溶液的濃度與溫度關(guān)系見下表。為了減少碳酸鋰的損失，圖中“操作”應(yīng)為___，90℃時(shí)Ksp(Li2CO3)的值為。【答案】×10-3【解析】Li2CO3微溶于水，溶解度隨溫度升高而降低，為減少Li2CO3的溶解損失，蒸發(fā)結(jié)晶后必須趁熱過濾；90℃時(shí)c(Li2CO3)的濃度為L(zhǎng)，則c(Li+)=L，c(CO32-)=L，則Ksp(Li2CO3)=××=×10-3。4．為回收利用廢鎳催化劑（主要成分為NiO，另含F(xiàn)e2O3、CaO、CuO、BaO等），科研人員研制了一種回收鎳的新工藝。工藝流程如圖：已知：①常溫下，有關(guān)氫氧化物開始沉淀和沉淀完全的pH如表氫氧化物Fe(OH)3Fe(OH)2Ni(OH)2開始沉淀的pH沉淀完全的pH②常溫下，Ksp(CaF2)=×10－11操作C可除去溶液中的Ca2+，若控制溶液中F－濃度為3×10－3mol/L，則溶液中c(Ca2+):c(F－)=___________________?！敬鸢浮俊?0-3【解析】根據(jù)常溫時(shí)CaF2的溶度積常數(shù)為×10?11可知，溶液中F?濃度為3×10?3mol?L?1，則Ca2+的濃度為=3×10?6mol/L，所以則溶液中==×10?3，故答案為：×10?3；6．實(shí)驗(yàn)室配制Fe（NO3）3溶液，為防止出現(xiàn)渾濁，一般是將Fe（NO3）3固體溶于稀HNO3后再加水稀釋。已知25℃時(shí)，Ksp[Fe（OH）3]＝4×10-38，此溫度下在實(shí)驗(yàn)室中配制100mL5mol·L-1Fe（NO3）3溶液，則至少需要________mL、4mol·L-1HNO3?！敬鸢浮俊窘馕觥扛鶕?jù)溶度積公式可計(jì)算，由水的離子積可知。設(shè)需要xmL、4mol·L-1HNO3，則xmL×4mol·L-1=·L-1×100mL，解得x=，故答案為：。8．工業(yè)上以釩爐渣(主要含V2O3，還有少量SiO2、P2O5等雜質(zhì))為原料可以制備氧釩堿式碳酸銨晶體[(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)9·10H2O]，其生產(chǎn)工藝流程如下?！俺菱C”得到偏釩酸銨(NH4VO3)，若濾液中c(VO3-)=·L-1，為使釩元素的沉降率達(dá)到98％，至少應(yīng)調(diào)節(jié)c(NH4+)為____mol·L-1。[已知Ksp(NH4VO3)=×10-3]【答案】【解析】已知Ksp(NH4VO3)=c(NH4+)?c(VO3-)=×10-3,若濾液中c(VO3-)=·L-1，為使釩元素的沉降率達(dá)到98％，則溶液中剩余c(VO3-)=·L-1×2%=mol·L-1，此時(shí)c(NH4+)=mol·L-1=·L-1；9．As2O3在玻璃工業(yè)中常用作澄清劑和脫色劑，工業(yè)上采用酸性高濃度含砷廢水(主要以H3AsO3形式存在)提取As2O3的工藝流程如下：濾渣Ⅰ中含有FeAsO4、Fe(OH)3、Ca3(AsO4)2和_______(填化學(xué)式)；已知Ksp[FeAsO4]=×10-21，含砷污染物允許排放標(biāo)準(zhǔn)為不大于mg?L-1。若低濃度含砷廢水(假設(shè)砷均以Na3AsO4形式存在)中Fe3＋的濃度為1.0×10-4mol?L-1，則低濃度含砷廢水中Na3AsO4的濃度為_____mg?L-1，_____(填“符合”或“不符合”)排放標(biāo)準(zhǔn)。【答案】CaSO4×10-11符合【解析】加入石灰水，濾渣

I

中除含有

FeAsO4、Fe(OH)3、Ca3(AsO4)2

，還含有CaSO4，F(xiàn)e3+的濃度為×10-4

mol?L-1，則c(AsO43-)=mol/L=×10-17

mol/L，則1L廢水中含有As的物質(zhì)的量為×10-17

mol，質(zhì)量為×10-11

mg，小于

mg?L-1，符合排放標(biāo)準(zhǔn)，故答案為：CaSO4；×10-11；符合。10．高錳酸鉀消毒片主要成分為KMnO4，可外用消炎殺菌。用某軟錳礦(主要成分是MnO2，還含有A12O3、SiO2等雜質(zhì))制備KMnO4的流程圖如下：已知：K2MnO4固體和溶液均為墨綠色，溶液呈堿性且能發(fā)生可逆的歧化反應(yīng)。制取過程中，若pH調(diào)節(jié)不合理易生成Mn2+。在廢水處理領(lǐng)域中常用H2S將Mn2+轉(zhuǎn)化為MnS除去，向含·L-1Mn2+廢水中通入一定量H2S氣體，調(diào)節(jié)溶液的pH=a，當(dāng)HS-濃度為×10-4mol·L-1時(shí)，Mn2+開始沉淀，則a=__________。[已知：H2S的Ka1=×10-7Ka2=×10-15；Ksp(MnS)=×10-14]【答案】6【解析】向含Mn2＋為·L-1的廢水中通入一定量的H2S氣體，調(diào)節(jié)溶液的pH=a，當(dāng)HS－濃度為×10-4mol·L-1時(shí)，Mn2＋開始沉淀，則c（Mn2＋）c（S2－）=c（Mn2＋）×=Ksp（MnS），即×=×10-15，解得c（H＋）=×10-6mol·L-1，即pH=6，故答案為：6。11．磷酸鐵(FePO4)常用作電極材料、陶瓷及制藥等。以硫鐵礦(主要成分是FeS2，含少量Al2O3、SiO2和Fe3O4)為原料制備磷酸鐵的流程如下：已知幾種金屬離子沉淀的pH如表所示：金屬氫氧化物Fe(OH)3Fe(OH)2Al(OH)3開始沉淀的pH完全沉淀的pH常溫下，Ksp(FePO4)＝×10－22，“沉鐵”中為了使c(Fe3＋)≤1×10－5mol·L－1，c(PO43－)最小為__________mol·L－1。【答案】×10－17【解析】根據(jù)溶度積進(jìn)行計(jì)算，c(PO43－)==×10－17mol·L－1；答案：×10－17mol·L－1。12．磷酸鋁(AlPO4)是一種用途廣泛的材料，在建筑、耐火材料、化工等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。以磷硅渣[主要成分為Ca3(PO4)2、Al2O3、SiO2和V2O5等]為原料制備磷酸鋁的工藝流程如圖所示：已知：Ksp(AlPO4)=×10－19、Ksp[Ca3(PO4)2]=×10－29。在物質(zhì)的量濃度分別為·L－1的CaCl2和AlCl3的混合溶液中加入等體積的Na3PO4溶液，若使A13+恰好沉淀完全，即溶液中c(A13+)=×10－5mol·L－1，此時(shí)是否有Ca3(PO4)2沉淀生成：____________(列式計(jì)算)?！敬鸢浮緼l3+恰好沉淀完全時(shí)，，，因此不會(huì)生成Ca3(PO4)2沉淀【解析】Al3+恰好沉淀完全時(shí)，，，因此不會(huì)生成Ca3(PO4)2沉淀，故答案為：Al3+恰好沉淀完全時(shí)，，，因此不會(huì)生成Ca3(PO4)2沉淀。13．硫酸渣（含F(xiàn)e2O3、SiO2等）是指黃鐵礦制硫酸后的殘?jiān)Ｒ粤蛩嵩鼮樵现苽溲趸F黃（α-FeOOH）的一種工藝流程如圖。回答下列問題：“還原”之后也可以采用如圖流程來“沉鐵”，“沉鐵”過程中生成Fe（OH）2的離子方程式為；若用過量CaCO3“沉鐵”，則會(huì)生成FeCO3沉淀?！俺凌F”后=[已知Ksp（CaCO3）=×10-9，Ksp（FeCO3）=2×10-11]?！敬鸢浮縁e2++2HCO3-=Fe（OH）2↓+2CO2↑140【解析】沉鐵”過程中生成Fe（OH）2的離子方程式為Fe2++2HCO3-═Fe（OH）2↓+2CO2↑，若用CaCO3“沉鐵”，則生成FeCO3沉淀，當(dāng)反應(yīng)完成時(shí)，溶液中c。17．實(shí)驗(yàn)室用軟錳礦(主要成分為MnO2)和黃鐵礦(主要成分為FeS2)為原料制取Mn2O3和單質(zhì)硫，其實(shí)驗(yàn)流程如下：室溫下，為使雜質(zhì)離子濃度小于1×10－6mol·L－1，除鐵步驟中需調(diào)節(jié)溶液pH范圍為________(已知：Ksp[Fe(OH)2]＝×10－16、Ksp[Fe(OH)3]＝×10－39，pH＝時(shí)Mn(OH)2開始沉淀)【答案】<pH<【解析】c3(OH-)===10-33，c(OH-)=10-11，c(H+)===10-3，pH=，錳離子沉淀時(shí)pH值是，所以除去雜質(zhì)鐵離子調(diào)節(jié)pH值的范圍是，故答案為：<pH<；21．K3[Fe(C2O4)3]·3H2O〔三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀晶體〕是制備負(fù)載型活性鐵催化劑的主要原料，也是一些有機(jī)反應(yīng)很好的催化劑。下圖是在實(shí)驗(yàn)室制備K3[Fe(C2O4)3]·3H2O的流程：回答下列問題：（1）步驟I中加入稀硫酸的目的是_______________。步驟II中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為一可逆過程，其離子方程式為_______________。常溫下，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=_______________[已知常溫下：Ka1(H2C2O4)=×10-2、Ka2(H2C2O4)=×10-5、Ksp(FeC2