高考化学答题技巧之化学工艺流程 题型二 工艺流程中Ksp的相关计算(原卷版)Word（23页）

题型二 工艺流程中Ksp 的相关计算 1．已知pH 值判断是否析出沉淀： 解题思路： 已知pH 值⃗ pH=-lgc(H+)c(H +)=10 −pH⃗ K W=c(H +)⋅c(OH −)c(OH −) →求出Qc⃗ 比较Qc K 与 sp大小判断是否析出沉淀 2．求离子浓度或pH 值及调控范围： 对于：M(OH)n(s) Mn+(aq)+nOH-(aq) 解题思路： 已知c(M n+)⃗ K sp=c(Mn+)⋅cn(OH−)求出c(OH −)⃗ K W=c(H +)⋅c(OH −) 求出c(H+)→pH=−lgc(H+) 一. 难溶电解质的溶解平衡 1．溶解度和溶解性：难溶电解质和易溶电解质之间并无严格的界限，溶解度小于0.01g 的称为难溶电 解质，离子相互反应生成难溶电解质，可以认为是完全反应。 溶度积常数反映了难溶电解质在水中的溶解能力，高考试题中溶度积常数的考查常结合化工 流程题，在化工流程题中考查溶度积常数是近年高考的热点，化工流程中常常需要控制条件进行 离子的分离或除杂，通过溶度积常数计算溶液中金属离子的浓度、离子完全沉淀时的pH、判断 废水排放是否符合标准、沉淀完全转化时所需离子浓度。 在20℃时电解质的溶解性与溶解度的关系如下： 溶解性 易溶 可溶 微溶 难溶 溶解度 >10g[ 1-10g 1-0.1g <0.01g 2．根据对溶解度及反应限度、化学平衡原理的认识，说明生成沉淀的离子反应是否真正能进行到底？ AgCl 在溶液中存在两个过程，一方面，在水分子作用下，少量Cl-、Ag＋脱离AgCl 表面溶入水中；另 一方面，溶液中的Cl-、Ag＋受AgCl 表面阴、阳离子的静电作用，回到AgCl 的表面析出晶体。一定温度下， AgCl 饱和溶液建立下列动态平衡的反应式：AgC(s) Ag＋(aq)＋Cl-(aq)，沉淀、溶解之间由于动态平 衡的存住，决定了沉淀反应不能完全进行到底。 3．溶解平衡的特征： 逆：溶解平衡是 一个 可逆过程。 等：溶解速率和沉淀速率相等。 动：溶解速率和沉淀速率相等，但不为0。 定：平衡状态时，溶液中各种离子的浓度保持一定。 变：当外界条件改变，溶解平衡发生移动。 4. 影响平衡的因素： 影 响 因 素 沉淀溶解平衡 电 离 平 衡 内因 电 解 质 本 身 的 性 质 外 因 温度 温度升高，多数溶解平衡向溶解的方向移动 温度升高正向移动 稀释 向溶解的方向移动 正向移动 同离子效应 加入相同离子，向生成沉淀的方向移动 逆向移动 二、溶度积(Ksp) 1．概念：一定温度下，难溶电解质在饱和溶液中各离子浓度幂的乘积是一个常数，这个常数称为该 难溶电解质的溶度积，用符号Ksp 表示。 2．表达式：对于沉淀溶解平衡：MmAn(s) mMn+(aq)+nAm-(aq)， 溶度积常数：Ksp = c(Mn+)mc(Am-)n 3．M(OH)n悬浊液中Ksp、Kw、pH 间的关系 M(OH)n(s) Mn+(aq)+nOH-(aq) K sp=c( M n+)⋅cn(OH−)= c(OH−) n ⋅cn(OH−)= cn+1(OH−) n =1 n( K W 10−pH ) n+1 4．溶度积规则：比较Ksp与溶液中有关离子浓度幂的乘积(离子积Qc)判断难溶电解质在给定条件下沉 淀能否生成或溶解。 Qc＞Ksp时，生成沉淀； Qc＝Ksp时，达到溶解平衡； Qc＜Ksp时，沉淀溶解。 5．影响溶度积的因素： Ksp 只与难溶电解质的性质和温度有关，而与沉淀的量无关，并且溶液中的离子浓度的变化能使平衡 移动，并不改变Ksp 。 6．溶度积的物理意义： Ksp反映了难溶电解质在水中的溶解能力。当化学式所表示的组成中阴、阳离子个数比相同时，Ksp数 值越大则难溶电解质在水中的溶解能力越强。但对化学式所表示的组成中阴、阳离子个数比不相同的电解 质，则不能直接由它们的溶度积来比较溶解能力的大小，必须通过具体计算确定。 7．难溶电解质的溶度积以及溶解能力的比较 沉淀溶解平衡 Ksp(18～25 ) ℃ 溶解能力比较 AgCl(s) Cl-(aq)＋Ag＋(aq) 1.8×10-10mol2.L-2 AgCl> AgBr > AgI AgBr(s) Br-(aq)＋Ag＋(aq) 5.0×10-13mol2.L-2 AgI(s) I-(aq)＋Ag＋(aq) 8.3×10-17mol2.L-2 Mg(OH)2(s) Mg 2+(aq)＋2OH-(aq) 1.8×10-11mol3.L-3 Mg(OH)2 > Cu(OH)2 Cu(OH)2(s) Cu 2+(aq)＋2OH-(aq) 2.2×10-20mol3.L-3 三、调节pH 的原理及目的 1．需要的物质：含主要阳离子(不引入新杂质即可)的难溶性氧化物或氢氧化物或碳酸盐，即能与H+ 反应，使pH 增大的物质如MgO、Mg(OH)2等类型的物质。 2．原理：加入的物质能与溶液中的H+反应，降低了H+的浓度 3．pH 控制的范围：杂质离子完全沉淀时pH 值－主要离子开始沉淀时pH，注意端值取等。 4．控制pH 的目的： (1)pH 调小：抑制某离子水解；防止某离子沉淀 (2)pH 调大：确保某离子完全沉淀；防止某物质溶解等。 (3)控制反应的发生，增强物质的氧化性或还原性，或改变水解程度。 5．控制某反应的pH 值使某些金属离子以氢氧化物的形式沉淀的原理，例如： (1)Fe3+溶液中存在水解平衡：Fe3++3H2O Fe(OH)3＋3H+，加入CuO 后，溶液中H+浓度降低，平 衡正向移动，Fe(OH)3越聚越多，最终形成沉淀。 (2)如若要除去Al3＋、Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调溶液的pH。 调节pH 所需的物质一般应满足两点：能与H＋反应，使溶液pH 增大；不引入新杂质。例如：若要除 去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。 (3) pH 控制的范围：大于除去离子的完全沉淀值，小于主要离子的开始沉淀的pH。 6．“酸作用”还可除去氧化物(膜) 7．“碱作用”还可除去油污，除去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅等 8．特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件) 题型一 溶度积与溶解度的相互计算 饱和溶液时的物质的量浓度与Ksp的关系 应用：比较溶解度的大小 1：1 型 x=√K sp 1：2 型或2：1 型 x= 3 √ K sp 4 1：3 型或3：1 型 x= 4 √ K sp 27 技法 导引 ①由饱和溶液的物质的量浓度c(mol·L－1)⃗ 转化饱和溶液的溶解度S(g) 以AgCl(s) Ag+(aq)＋Cl－(aq)为例，饱和溶液的物质的浓度c＝1.34×10－5mol·L－1 即：1L 溶液中含有1.34×10－5 mol 的AgCl 溶质，也就是(1.34×10－5×143.5)g＝1.92×10－3g 即：1L 溶液中溶解的AgCl 为1.92×10－3g，由于溶液极稀，其溶液近似等于水的密度，ρ ＝1g/cm3 即：1000g 溶液中溶解了1.92×10－3g 的AgCl，100g 水中溶解了1.92×10－4g 的AgCl 即：AgCl 的溶解度S(AgCl)＝1.92×10－4g ②饱和溶液的溶解度S(g)⃗ 转化由饱和溶液的物质的量浓度c(mol/L)⃗ 转化KSP 20℃时，S(AgCl)＝1.5×10－4g，即：100g 水中溶解了AgCl 的质量为1.5×10－4g，由于溶液极 稀，其溶液近似等于水的密度，ρ＝1g/cm3，也即是：0.1L 水中溶解了AgCl 的质量为1.5×10 －4g，也即是：0.1L 溶液中溶解了AgCl 的质量为1.5×10－4g，此时n(AgCl)＝ 1.5×10－4 g 143.5g/mol =1.05×10－6mol ， c( AgCl)= n V =1.05×10— 6mol 0.1 L ，c(AgCl)＝1.05×10－5 mol·L－1，KSP＝ c(Ag+)·c(Cl－)＝1.05×10－5×1.05×10－5＝1.1×10－10 1．废水中的重金属离子通常用沉淀法除去。已知Ksp(NiS)＝1.1×10－21，Ksp(CuS)＝1.3×10－36，国家规 定的排放标准：镍低于1.1×10－5mol·L－1，铜低于7.8×10－5mol·L－1。则需要控制溶液中S2－的浓度不低于__ __________。 2．已知：某温度时，Ksp(AgCl)＝1.8×10－10，Ksp(Ag2CrO4)＝1.1×10－12。试求此温度下AgCl 饱和溶液 和Ag2CrO4饱和溶液的物质的量浓度，并比较两者的大小 题型二 利用溶度积求溶液中某离子的浓度 技法导引 某温度下AgCl 的Ksp＝a，在0.1 mol·L－1的NaCl 溶液中加入过量的AgCl 固体， 达到平衡后c(Ag＋)＝ Ksp 0.1 =10a mol·L－1 3．以工业炼钢污泥(主要成分为铁的氧化物，还含有CaO、SiO2、C 等杂质)为原料制备脱硫剂活性 Fe2O3·H2O，并用该脱硫剂处理沼气中H2S 的流程如下： “除杂”：若使还原后的滤液中Ca2+完全沉淀(离子浓度小于10-6 mol·L-1)，则滤液中c(F-)需大于______。 [Ksp(CaF2)=1.44×10-10，Ka(HF)=3.53×10-4] 4．甲烷重整可选氧化物NiOAl2O3作为催化剂。工业上常用Ni(NO3)2、Al(NO3)3混合液加入氨水调节 pH＝12(常温)，然后将浊液高压恒温放置及煅烧等操作制备。加入氨水调节pH＝12 时，c(Ni2＋)为______ (已知：Ksp[Ni(OH)2]＝5×10－16) 题型三 判断沉淀的生成或沉淀是否完全 技法导 引 ①把离子浓度数据代入Ksp表达式得Qc，若Qc>Ksp，则有沉淀生成；若Qc<Ksp，无沉淀生成 ②利用Ksp的数值计算某一离子浓度，若该离子浓度小于10－5 mol·L－1，则该离子沉淀完全 5．将等体积的4×10-3mo1·L-1的AgNO3和4×10-3mo1·L –1 K2CrO4混合，有无Ag2CrO4沉淀产生? (已知：KSP (Ag2CrO4)＝1.12×10-12) 6．等体积混合0.2 mol·L-1的AgNO3和0.2 mol·L-1的CH3COONa 溶液，是否会生成CH3COOAg 沉淀? (已知CH3COOAg 的Ksp 为2.3×10-3) 7．工业上用重铬酸钠(Na2Cr2O7)母液生产重铬酸钾(K2Cr2O7)的工艺流程如图所示： 上述流程中K2Cr2O7发生氧化还原反应后所得溶液中除含有Cr3＋外，还含有一定浓度的Fe3＋杂质， 可通过加碱调pH 的方法使两者转化为沉淀。已知c(Cr3＋)＝3×10－5 mol·L－1，则当溶液中开始析出 Cr(OH)3 沉淀时Fe3＋是否沉淀完全？________(填“是”或“否”)。{已知：Ksp[Fe(OH)3]＝4.0×10－38， Ksp[Cr(OH)3]＝6.0×10－31} 8．(2022•重庆卷，15 节选)电子印制工业产生的某退锡废液含硝酸、锡化合物及少量Fe3+和Cu2+等， 对其处理的流程如图。 Sn 与Si 同族，25℃时相关的溶度积见表。 化学式 Sn(OH)4(或SnO2·2H2O) Fe(OH)3 Cu(OH)2 溶度积 1.0×10-56 4×10-38 2.5×10-20 (2)滤液1 的处理 ①滤液1 中Fe3+和Cu2+的浓度相近，加入NaOH 溶液，先得到的沉淀是______。 ②25℃时，为了使Cu2+沉淀完全，需调节溶液H+浓度不大于______mol•L-1。 9．(2022•山东卷，17 节选)工业上以氟磷灰石[Ca5F(PO4)3]，含SiO2等杂质]为原料生产磷酸和石膏，工 艺流程如下： (2)部分盐的溶度积常数见下表。精制Ⅰ中，按物质的量之比n(Na2CO3)：n(SiF6 2-)= 1：1 加入Na2CO3 脱氟，充分反应后，c(Na+)=_______ mol•L-1；再分批加入一定量的BaCO3，首先转化为沉淀的离子是_____ __。 BaSiF6 Na2SiF6 CaSO4 BaSO4 Ksp 1.0×10-6 4.0×10-6 9.0×10-4 1.0×10-10 题型四 沉淀溶解平衡中的除杂和提纯 技法导引 对离子浓度的要求：化学上通常认为当溶液中的离子浓度小于1×10—5mol/L 时，沉淀就 达完全 10．在1.0mol ·L-1Co2+溶液中，含有少量Fe3+杂质。问应如何控制pH 值，才能达到除去Fe3+杂质的目 的? (已知：KSP[Co(OH)2]=1.0×l 0-15，KSP[Fe(OH)3]=8.0×10-39) 11．偏钒酸镁在化工“新型材料”光电领域有着重要的用途。以硼泥[主要成分是MgO(52.12%)还有 Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质]为原料设计制备偏钒酸镁的生产工艺如图所示： “除杂”过程加入双氧水的目的是________________________________________________(用离子方程 式表示)。此过程中使Fe3＋、Al3＋浓度均小于1×10－6 mol·L－1，在室温下需调节pH 的范围是：__________ (已知：Ksp[Fe(OH)3]＝1×10－39，Ksp[Al(OH)3]＝1×10－33，pH＝9.3 时，Mg2＋开始沉淀)。 12．镓是制作高性能半导体的重要原料。工业上常从锌矿冶炼的废渣中回收镓。已知某锌矿渣主要含 Zn、Si、Pb、Fe、Ga 的氧化物，利用该矿渣制镓的工艺流程如下： 已知：①镓在元素周期表中位于第四周期ⅢA 族，化学性质与铝相似。 ②lg2＝0.3，lg3＝0.48。 ③部分物质的Ksp如表所示： 物质 Zn(OH)2 Ga(OH)3 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Ksp 1.6×10－17 2.7×10－31 8×10－16 2.8×10－39 (1)加入H2O2的目的是(用离子方程式表示)___________________________________________ __。 (2)调pH 的目的是____________________________________________________________；室温条件下， 若浸出液中各阳离子的浓度均为0.01 mol·L－1，当溶液中某种离子浓度小于1×10－5 mol·L－1时即认为该离 子已完全除去，则pH 应调节的范围为____________________。 13．(2023•全国乙卷，27 节选)LiMn2O4作为一种新型锂电池正极材料受到广泛关注。由菱锰矿 (MnCO3，含有少量Si、Fe、Ni、Al 等元素)制备LiMn2O4的流程如下： 已知：Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39，Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33，Ksp[Ni(OH)2]=5.5×10-16。 (3)溶矿反应完成后，反应器中溶液pH=4，此时c(Fe3+)=_______mol·L-1；用石灰乳调节至pH≈7，除去 的金属离子是_______。 (4)加入少量BaS 溶液除去Ni2+，生成的沉淀有_______。 题型五 沉淀溶解平衡中沉淀转化的计算 技法 导引 依据沉淀的转化反应和Ksp，计算该反应的平衡常数，K 值越大，转化反应越易进行，转化程度越 大 (若计算沉淀转化的平衡常数K＜10－5，则沉淀转化反应不能进行；若10－5＜K＜105，则沉淀 转化反应为可逆反应，若K>105，则认为沉淀完全转化) 已知常温下，ZnS 和CuS 的Ksp分别为1.6×10－24和6.4×10－36，判断常温下反应： ZnS(s)＋Cu2＋(aq) CuS(s)＋Zn2＋(aq)能否进行 该反应的平衡常数K＝＝＝＝＝2.5×1011＞105，故反应能完全转化 14．某温度下，溶液中含有I-、Cl-等离子，向其中滴加AgNO3 溶液，当AgCl 开始沉淀时，溶液中 c(I−)/c(Cl−)为 [已知Ksp(AgCl)=1.8×10-10，Ksp(AgI)=8.5×10-17] 15．钨是熔点最高的金属，是重要的战略物资。自然界中黑钨矿的主要成分是FeWO4、MnWO4，还 含有少量Si、P、As 的化合物。由黑钨矿制备WO3的工艺流程如图： 浸出液中的溶质有Na2WO4、Na2SiO3、Na3PO4、Na3AsO4，加入MgSO4、H2SO4将溶液的pH 调至9 时， 溶液中＝________。(已知Ksp[Mg3(PO4)2]＝2.0×10－24、Ksp[Mg3(AsO4)2]＝2.0×10－20。) 16．(2022•全国乙卷，26 节选)废旧铅蓄电池的铅膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO 和Pb。还有少量 Ba、Fe、Al 的盐或氧化物等。为了保护环境、充分利用铅资源，通过下图流程实现铅的回收。 一些难溶电解质的溶度积常数如下表： 难溶电解质 PbSO4 PbCO3 BaSO4 BaCO3 Ksp 2.5×10-8 7.4×10-14 1.1×10-10 2.6×10-9 一定条件下，一些金属氢氧化物沉淀时的 如下表： 金属氢氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)2 开始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2 完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1 (1)在“脱硫”中PbSO4转化反应的离子方程式为________，用沉淀溶解平衡原理解释选择Na2CO3的 原因________。 (2)在“脱硫”中，加入Na2CO3不能使铅膏中BaSO4完全转化，原因是________。 题型六 计算氢氧化物沉淀开始和沉淀完全时的pH 技法导 引 ①根据氢氧化物的Ksp，先计算初始浓度溶液中c(OH－)，再求得溶液的pH ②金属阳离子沉淀完全时的离子浓度为10－5 mol·L－1，依据Ksp可计算金属阳离子沉淀完 全时溶液中的c(OH－)，进而求得pH 17．已知：部分难溶化合物的相关数据如下表所示： 化合物 Zn(OH)2 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Ksp 近似值 10-17 10-17 10-38 用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O 的过程中，需除去锌皮中的少量杂质铁，其方法是加稀H2SO4和 H2O2溶解，铁变为Fe3+，常温下加碱调节至pH 为____________时，铁刚好沉淀完全(离子浓度小于1×10-5 mol·L-1时，即可认为该离子沉淀完全)；继续加碱至pH 为____________时，锌开始沉淀(假定Zn2+浓度为 0.1 mol·L-1)。若上述过程不加H2O2，后果是____________，原因是________________________。 18．用