题型四 综合实验探究1．(2022·盐城市高三上学期期中)NH4Al(SO4)2·12H2O(铵明矾)可用作泡沫灭火器的内留剂、石油脱色剂等。用氧化铁和铝粉等物质做铝热反应后的铝灰及硫酸铵等为原料制备铵明矾的实验步骤如下：(1)铝灰用“水洗”的目的是________________________；碱溶时，需在约90℃条件下进行，适宜的加热方式为____________。(2)“过滤1”所得滤渣主要成分为________。(3)用下图左边装置制备CO2时，适宜的药品A为____________________、B为________________________________________________________________________；“沉铝”时，通入过量CO2发生反应的离子方程式为_______________________________________________________________________________________________________________________________________________。10\n(4)请设计从“过滤2”所得滤渣制取铵明矾的实验方案：称取一定质量“过滤2”的滤渣，放入烧杯中，______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________，静置，过滤、洗涤、晾干，得到NH4Al(SO4)2·12H2O[实验中须使用到3mol·L－1硫酸、(NH4)2SO4、蒸馏水、氨水、pH试纸；已知：NH4Al(SO4)2饱和溶液的pH约为1.5，几种物质的溶解度曲线见右上图]。答案 (1)除去KCl等可溶性杂质 水浴加热(2)Fe(3)块状石灰石(或大理石、CaCO3等) 饱和NaHCO3溶液 AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO(4)加入适量蒸馏水，加热并在不断搅拌下加入3mol·L－1硫酸至沉淀恰好完全溶解，再加入计算量的(NH4)2SO4，用3mol·L－1硫酸和氨水调节溶液的pH在1～2之间，蒸发浓缩，冷却结晶解析 铝灰水洗的目的是洗去表面可溶性杂质，在90℃水浴条件下，用NaOH溶液进行溶解，Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O，过滤除去铁等不溶性杂质，向滤液中通入CO2,AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO，提纯得到较纯的Al(OH)3再制备NH4Al(SO4)2。(3)制备CO2时，适宜的药品A为块状石灰石(或大理石、CaCO3等)、B为饱和NaHCO3溶液(除去挥发出来的HCl)。2．(2022·南京三校高三第四次模拟)实验室回收利用废旧锂离子电池正极材料锰酸锂(LiMn2O4)的一种流程如下：10\n(1)废旧电池可能残留有单质锂，拆解不当易爆炸、着火，为了安全，对拆解环境的要求是________。(2)“酸浸”时采用HNO3和H2O2的混合液体，可将难溶的LiMn2O4转化为Mn(NO3)2、LiNO3等产物。请写出该反应离子方程式：_________________________________________。如果采用盐酸溶解，从反应产物的角度分析，以盐酸代替HNO3和H2O2混合物的缺点是________________。(3)“过滤2”时，洗涤Li2CO3沉淀的操作是_____________________________________________________________________________________________________________。(4)把分析纯碳酸锂与二氧化锰两种粉末，按物质的量1∶4混合均匀加热可重新生成LiMn2O4，升温到515℃时，开始有CO2产生，同时生成固体A，比预计碳酸锂的分解温度(723℃)低很多，可能的原因是____________________________________________。(5)制备高纯MnCO3固体：已知MnCO3难溶于水、乙醇，潮湿时易被空气氧化，100℃开始分解；Mn(OH)2开始沉淀的pH＝7.7。请补充由上述过程中，制得的Mn(OH)2制备高纯MnCO3的操作步骤[实验中可选用的试剂：H2SO4、Na2CO3、C2H5OH]：向Mn(OH)2中边搅拌边加入________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案 (1)隔绝空气和水分(2)2LiMn2O4＋10H＋＋3H2O2===2Li＋＋4Mn2＋＋3O2↑＋8H2O 反应生成Cl2，污染环境(3)沿着玻璃棒向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流出，重复操作2～3次(4)MnO2作为催化剂，降低了碳酸锂的分解温度 (5)H2SO4溶液，固体溶解，加入Na2CO3，并控制溶液pH＜7.7，过滤，用少量的乙醇洗涤，在低于100℃条件下真空干燥解析 (1)废旧电池可能残留有单质锂，锂化学性质活泼，锂可与空气中的O2和H2O反应，对拆解环境的要求是：隔绝空气和水分。10\n(2)“酸浸”时采用HNO3和H2O2的混合液体，可将难溶的LiMn2O4转化为Mn(NO3)2、LiNO3等产物，LiMn2O4被还原成Mn(NO3)2，则H2O2被氧化成O2，反应中1molLiMn2O4参与反应得到3mol电子，1molH2O2失去2mol电子，根据得失电子守恒和原子守恒，反应的化学方程式为2LiMn2O4＋10HNO3＋3H2O2===2LiNO3＋4Mn(NO3)2＋3O2↑＋8H2O，反应的离子方程式为2LiMn2O4＋10H＋＋3H2O2===2Li＋＋4Mn2＋＋3O2↑＋8H2O。若采用盐酸溶解，盐酸作还原剂被氧化成Cl2，以盐酸代替HNO3和H2O2混合物的缺点是：反应生成Cl2，污染环境。(5)根据题目提供的试剂分析，制备MnCO3的原理为：Mn(OH)2＋H2SO4===MnSO4＋2H2O、MnSO4＋Na2CO3===MnCO3↓＋Na2SO4，pH＝7.7时开始形成Mn(OH)2沉淀，加入Na2CO3沉淀Mn2＋时控制pH<7.7；制备MnCO3的步骤为：向Mn(OH)2中加入H2SO4，固体溶解转化为MnSO4溶液，向MnSO4溶液中加入Na2CO3并控制pH<7.7获得MnCO3沉淀；由于“MnCO3难溶于水、乙醇，潮湿时易被空气氧化，100℃开始分解”，所以为了减少MnCO3的氧化变质和分解以及溶解损失，过滤分离出MnCO3后，用乙醇洗涤，在低于100℃条件下真空干燥。10\n3．(2022·泰州中学高三第四次模拟)红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O)广泛用作强氧化剂、鞣革剂。以铬矿石(主要成分为Cr2O3，还含有FeO、Al2O3、SiO2等杂质)为原料制取红矾钠的流程如下：已知：①CrO与Cr2O存在如下平衡：2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，当pH<3时，以Cr2O为主，当pH>9时，以CrO为主。②钠盐在不同温度下的溶解度(g)：温度(℃)1020304050607080Na2SO49.019.440.848.846.745.344.143.7Na2Cr2O7170.2180.1196.7220.5248.4283.1323.8385.4注：32.38℃以上，与饱和溶液平衡的固相为无水Na2SO4，以下则为Na2SO4·10H2O。③Cr3＋完全沉淀时pH为6.8，Cr(OH)3开始溶解时pH为12。请回答下列问题：(1)煅烧铬矿石时，生成Na2CrO4的化学方程式为_______________________________________________________________________________________________________。(2)滤渣Ⅱ的成分是______________(填化学式)。(3)有人认为工艺流程中“用稀硫酸调pH”改为“通入过量CO2”，不需调节pH同样可以达到实验效果，理由是________________________________________________________________________。(4)向红矾钠溶液中加入适量KCl，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到______________(填字母)得到的K2Cr2O7固体产品最多。10\n A．80℃B．60℃C．40℃D．10℃(5)该工艺所得副产品主要为无水硫酸钠并混有少量重铬酸钠，请设计从副产品中获得芒硝(Na2SO4·10H2O)的实验方案：将该副产品按固液质量比100∶230溶于热水，加入稍过量的Na2SO3溶液，搅拌，_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________，过滤，洗涤，低温干燥(实验中须使用的试剂：稀H2SO4、NaOH溶液)。答案 (1)2Cr2O3＋4Na2CO3＋3O24Na2CrO4＋4CO2(2)H2SiO3、Al(OH)3(3)过量的CO2不会使Al(OH)3溶解，生成的NaHCO3在后续步骤中加入稀硫酸可以除去(4)D(5)缓缓加入稀H2SO4，静置，冷却自然结晶，过滤，将晶体用热水溶解，加入适量NaOH溶液至溶液pH约为6.8～12，趁热过滤，将滤液冷却自然结晶解析 (2)滤液Ⅰ中加入稀硫酸调节pH可生成H2SiO3和Al(OH)3沉淀，因此滤渣Ⅱ的成分是H2SiO3、Al(OH)3。(3)通入过量CO2，可以生成Al(OH)3和H2SiO3沉淀，过量的CO2不会溶解Al(OH)3，生成的NaHCO3加入稀硫酸可以除去。(4)向红矾钠溶液中加入适量KCl，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到K2Cr2O7固体，由溶解度图示可知，冷却到10℃时得到的K2Cr2O7固体最多。(5)要从副产品中获得芒硝，可以设计如下的实验方案：将该副产品按固液质量比100∶230溶于热水，加入稍过量的Na2SO3溶液，搅拌，向所得的溶液中加入稀硫酸，然后静置，让溶液冷却自然结晶。对静置后的溶液进行过滤，将得到的晶体溶于热水中，然后加入适量的NaOH溶液调节pH约为6.8～12，趁热过滤，将得到的滤液冷却自然结晶，得到芒硝。4．(2022·江苏省海安高级中学高三1月月考)谢弗勒尔盐(Cu2SO3·CuSO3·2H2O)是一种深红色固体，不溶于水和乙醇，100℃时发生分解。可由CuSO4·5H2O和SO2等为原料制备，实验装置如下图所示：10\n(1)装置A在常温下制取SO2时，用较浓的硫酸而不用稀硫酸，其原因是____________________。(2)装置B中发生反应的离子方程式为____________________________________________________________________________________________________。(3)装置C的作用是____________。(4)从B中获得的固体需先用蒸馏水充分洗涤，再真空干燥。①检验洗涤已完全的方法是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②不用烘干的方式得到产品，其原因是_______________________________________________________________________________________________________________。(5)请补充完整由工业级氧化铜(含少量FeO)制备实验原料(纯净CuSO4·5H2O)的实验方案：向工业级氧化铜中边搅拌边加入稍过量的硫酸溶液，微热使其完全溶解，________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________，过滤，用95%酒精洗涤晶体2～3次，晾干，得到CuSO4·5H2O。已知：①该溶液中氢氧化物开始沉淀与沉淀完全时的pH范围分别为：Fe(OH)2(5.8,8.8)；Cu(OH)2(4.2,6.7)；Fe(OH)3(1.1,3.2)。②在水溶液中超过100℃，硫酸铜晶体易失去结晶水。③硫酸铜晶体溶解度曲线如图所示：答案 (1)二氧化硫易溶于水10\n(2)3Cu2＋＋3SO2＋6H2O===Cu2SO3·CuSO3·2H2O↓＋8H＋＋SO(3)防止倒吸(4)①取少量最后一次的洗涤过滤液于试管中，向其中滴加盐酸酸化的BaCl2溶液，若不产生白色沉淀，则表明已洗涤完全 ②防止谢弗勒尔盐发生分解(5)边搅拌边向其中滴入H2O2溶液，加入适量纯净的CuO[或Cu(OH)2]，调节3.2<pH<4.2，静置，过滤，将滤液水浴加热蒸发浓缩，冷却结晶解析 装置A由浓硫酸和亚硫酸钠制备二氧化硫，与硫酸铜溶液在60～80℃条件下于装置B中反应生成谢弗勒尔盐(Cu2SO3·CuSO3·2H2O)，D装置用来吸收未反应完的二氧化硫有毒气体。(1)二氧化硫易溶于水，用浓硫酸含水量少，且能吸水，有利于二氧化硫的逸出。(2)装置B中硫酸铜与二氧化硫生成产物Cu2SO3·CuSO3·2H2O，铜元素化合价降低到＋1价，则二氧化硫中硫元素升高到＋6价，则该离子方程式为：3Cu2＋＋3SO2＋6H2O===Cu2SO3·CuSO3·2H2O↓＋8H＋＋SO。(4)①产物若未洗涤干净，则表面含有硫酸根离子，检验硫酸根离子即可，方法为：取少量最后一次的洗涤过滤液于试管中，向其中滴加盐酸酸化的BaCl2溶液，若不产生白色沉淀，则表明已洗涤完全。②由题可知，谢弗勒尔盐受热易分解，不能烘干。(5)由工业级氧化铜(含少量FeO)制备实验原料(纯净CuSO4·5H2O)，向工业级氧化铜中边搅拌边加入稍过量的硫酸溶液，微热使其完全溶解，得到硫酸铜和硫酸亚铁的混合溶液，需将亚铁离子除去，根据题目中信息，亚铁离子以沉淀形式除去时铜离子有损失，而铁离子完全沉淀时对铜离子无损失，则应先将亚铁离子氧化为铁离子，考虑不引入新杂质，应选择双氧水，再调节pH将铁离子沉淀，故操作为：向工业级氧化铜中边搅拌边加入稍过量的硫酸溶液，微热使其完全溶解，边搅拌边向其中滴入H2O2溶液，加入适量纯净的CuO[或Cu(OH)2]调节3.2＜pH＜4.2，静置，过滤，将滤液水浴加热蒸发，浓缩至表面出现晶膜，冷却结晶，过滤，用95%酒精洗涤晶体2～3次，晾干，得到CuSO4·5H2O。5．(2022·淮阴中学高三下学期期初考试)以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。其工作流程如下：10\n(1)过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)过程Ⅰ中，Fe2＋催化过程可表示为i：2Fe2＋＋PbO2＋4H＋＋SO===2Fe3＋＋PbSO4＋2H2Oii：……①写出ii的离子方程式：_______________________________________________________________________________________________________________________________。②下列实验方案可验证上述催化过程。将实验方案补充完整。A．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。B．________________________________________________________________________。(3)PbO溶解在NaOH溶液中，其溶解度曲线如图所示。①过程Ⅱ的目的是脱硫。滤液Ⅰ经处理后可在过程Ⅱ中重复使用，其目的是________(填字母)。A．减小PbO的损失，提高产品的产率B．重复利用NaOH，提高原料的利用率C．增加Na2SO4浓度，提高脱硫效率②过程Ⅲ的目的是提纯，结合上述溶解度曲线，简述过程Ⅲ的操作：________________________________________________________________________。答案 (1)Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O(2)①2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋②取A中红色溶液少量，加入过量Pb，充分反应后，红色褪去(3)①AB②将粗PbO溶解在一定量35%NaOH溶液中，加热至110℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤，洗涤，干燥得到PbO固体解析 (1)结合工艺流程图，过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO410\n和水，化学方程式：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。(2)①催化剂参加反应，改变反应历程，降低反应活化能，加快反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后保持不变，ⅰ中Fe2＋被氧化为Fe3＋，ⅱ中Fe3＋被还原成Fe2＋，离子方程式：2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋。②取A中红色溶液少量，溶液中存在平衡，Fe3＋＋3SCN－Fe(SCN)3，加入过量Pb，Fe3＋被还原成Fe2＋，平衡逆向移动，充分反应后，红色褪去。(3)①过程Ⅱ脱硫过程中发生的反应为PbSO4＋2NaOH===PbO＋Na2SO4＋H2O，由于PbO能溶解于NaOH溶液，因此滤液Ⅰ中含有Pb元素，重复使用滤液Ⅰ可减少PbO的损失，且滤液Ⅰ中过量的NaOH可以重复利用，提高原料的利用率，故选AB。②根据PbO的溶解度曲线，提纯的方法是将粗PbO溶解在NaOH溶液中，结合溶解度曲线，NaOH浓度越高、温度越高，PbO的溶解度越大，将粗PbO溶解在一定量35%NaOH溶液中，加热至110℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤，洗涤，干燥得到PbO固体。10
