既熟悉又陌生的金屬元素——以金屬元素為背景的試題解題策略初探

吉林 趙鑫光 楊競翔

在高考化學試卷中的非選擇題的物質結構部分，經常以高中教材以外的金屬元素作為命題背景，這體現了不同知識點的橫向聯系和高考命題的綜合性。以這些學生不太熟悉的金屬單質及其化合物為載體，綜合考查化合物的制備與檢驗、化學基本概念、化學反應原理、物質結構與性質等方面的內容。本文選擇幾種典型的非主族金屬元素加以介紹。并配例題、解析，以期能使學生通過練習掌握該類試題的解題策略。

1.鈦及其化合物

【典例1】鈦及其化合物在現代工業生產及人們的日常生活中有著重要的用途。工業上用鈦鐵礦石(主要成分為FeTiO3，含SiO2、FeO及Al2O3等雜質)經如圖所示工藝流程制備二氧化鈦：

(1)凈化鈦鐵礦石時，________(填“需要”或“不需要”)除去雜質FeO。

(2)凈化鈦鐵礦石時，需用濃氫氧化鈉溶液處理，寫出該過程可能發生的離子方程式:_______________________________________。

(3)步驟③發生反應的化學方程式為_______________________________________。

(4)步驟④⑤⑥的目的是_______________________________________。

(5)步驟⑦中發生反應的離子方程式為_______________________________________。

(6)電解TiO2可制得金屬鈦，同時產生氧氣，若使用熔融ZrO2/Y2O3作電解質，TiO2為陰極，石墨為陽極，則陰極發生的反應為_______________________，陽極的石墨需要定期補充，其原因是_______________________________________。

2.釩及其化合物

【典例2】以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生成硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分如下表：

物質V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3質量分數/%2.2～2.92.8～3.122～2860～651～2<1

以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線：

回答下列問題：

(5)“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀，寫出“煅燒”中發生反應的化學方程式：_______________________________________。

3.鉻及其化合物

(1)第①步反應的離子方程式是_______________________________________。

(2)第②步中用pH試紙測定溶液pH的操作是______________________________________。

(3)第②步過濾得到的濾渣中主要成分除Cr(OH)3外,還有________。

4.錳及其化合物

【典例4】化學為人類造福既要有效去除污染物同時又要充分利用資源，某興趣小組利用軟錳礦(主要成分為MnO2，還含有少量Fe、Al、Cu、Ni等金屬的化合物)作煤燃燒尾氣中的脫硫劑，同時生產MnO2作為電池材料，其工藝流程示意圖如下圖所示：

請回答下列問題：

(1)用MnCO3可以除去溶液中的Al3+和Fe3+的理由是_______________________________________。

(2)己知：25℃、101 kPa時，

SO2與MnO2反應生成MnSO4的熱化學方程式是_______________________________________。

(3)MnO2可用作超級電容器材料。用惰性電極電解MnSO4溶液時在________極可產生MnO2，其電極反應式為_______________________________________。

(4)MnO2是堿性鋅錳電池的正極材料。已知放電時正極區域的堿性增強，每消耗1 mol MnO2時轉移1 mol電子，試寫出相應的電極反應方程式：_______________________________________。

(5)假設脫除的SO2只與軟錳礦漿中的MnO2反應。按照圖示流程，將am3(標準狀況)含SO2的體積分數為b%的尾氣通入礦漿，將SO2的脫除率為89.6%，最終得到MnO2的質量為ckg，則除去鐵、鋁、銅、鎳等雜質時，所引入的錳元素相當于MnO2________kg。

5.鈷、鎳及其化合物

(1)單質鈷和單質鎳常溫時在空氣中能穩定存在，加熱條件下可生成CoO和NiO。

(2)CoO和NiO均不溶于水，可溶于酸，CoO還可溶于強堿，但不溶于氨水，而NiO可溶于氨水。

(5)CoCl2呈藍色，CoCl2·6H2O呈粉紅色，常用作變色硅膠中的添加劑來指示硅膠的吸水能力。

【典例5】現欲從某含鎳廢催化劑中回收鎳并制得 NiSO4·7H2O 晶體，已知該廢催化劑中主要含金屬鎳，還含有鋁、鐵、三氧化二鋁及不溶于酸也不溶于堿的惰性雜質。其工藝流程示意圖如下所示：

部分金屬離子完全沉淀時溶液的pH如下表所示：

沉淀Al(OH)3Fe(OH)3Fe(OH)2Ni(OH)2pH5.23.29.79.2

(1)用堿液“浸取”的是為了除去含鎳廢催化劑中的________________________(寫化學式)。

(2)用酸液“浸取”時使用的酸是________。過濾后，濾液②中可能含有的金屬離子是________(寫離子符號)。

(3)加入H2O2時，發生反應的離子方程式為_______________________________________。

(4)調節pH=2～3是為了_______________________________________。

(5)操作①主要進行的操作步驟及操作順序是_______________________________________。

(6)在強堿溶液中用NaClO氧化NiSO4，可制得堿性鎳鎘電池電極材料NiOOH。該反應的離子方程式為_______________________________________。

6.銅、銀及其化合物

(4)CuCl、CuI等亞銅鹽均為白色難溶于水的固體。

(7)[Ag(NH3)2]OH具有一定的氧化性，與含有醛基的物質在一定條件下可以發生銀鏡反應。

【典例6】銀是一種化學性質不活潑的貴金屬，常用作金屬貨幣和首飾，近年來在化學電源和照明器具等方面也有廣泛應用，試回答下列問題：

(1)佩戴久了的銀飾品表面會逐漸失去銀白色的金屬光澤，變暗變黑，試用化學方程式解釋原因:_______________________________________。

(2)向500 mL 0.18 mol/L的AgNO3溶液中加入500 mL 0.20 mol/L的鹽酸，混合后的溶液中Ag+濃度為________mol/L；溶液的pH為________。

(3)硝酸銀溶液必須避光保存，在光照的條件下會分解生成單質銀和紅棕色氣體，試寫出所發生的化學反應方程式：_______________________________________。

(4)寫出如圖所示的原電池裝置中正極發生的電極反應：________，若起始時，銀電極和銅電極的質量相等，反應開始后當兩電極質量差為2.80 g時電路中轉移的電子的物質的量為________。

7.鋅及其化合物

【典例7】制造鋅鋇白的主要原料之一是硫酸鋅，如圖是利用ZnO(含有少量FeO、CdO、PbO雜質)制備硫酸鋅的工藝流程示意圖：

已知：H2O2是一種弱酸，常溫下其水溶液的pH≈5，Fe3+完全沉淀時的pH≈3。

試回答下列問題：

(1)為了提高浸取的速率，除了適當增大硫酸的濃度外還可以采取哪些措施？________________________________________________________________________(寫出兩條即可)。

(2)“凈化1”后的濾渣B主要成分為________，能夠除去Cd、Pb的原因是_______________________________________。

(3)“凈化2”中需要加入過氧化氫，其電子式為________，濾渣C的主要成分是________，該過程發生反應的離子方程式為_______________________________________。

(4)在明代宋應星所著的《天工開物》一書中，有關于“升煉倭鉛”的記載：“爐甘石十斤，裝載入一泥罐內……然后逐層用煤炭餅墊盛，其底鋪薪，發火煅紅……冷淀，毀罐取出……即倭鉛也。”試寫出該過程中主要發生的化學反應方程式：____________________。(注：爐甘石的主要成分是碳酸鋅，倭鉛即金屬鋅)