盤點試題中常考的那些“陌生”金屬元素

■河南省鄢陵縣第一高級中學 馮存良

元素及其化合物是高考的重點考查內容,考查題型多是選擇題或與其有關的工藝流程題及實驗題。但高考中考查的元素及其化合物往往是陌生的,大家不熟悉的。預計在2024年高考中,仍會結合社會熱點,綜合物質性質,以轉化關系圖或流程圖的形式考查物質的轉化,或與生產、生活、科技、醫療等聯系起來考查知識的靈活應用。元素及其化合物的知識是題源,是高考重要的考查內容,掌握好元素及其化合物是拿取高分的關鍵。

一、釩

例1常溫下,各種形態五價釩粒子總濃度的對數[lgc總(V)]與pH 關系如圖1 所示。已知(VO2)2SO4是易溶于水的強電解質。下列說法正確的是( )。

圖1

A.由圖1 可知,在不同的酸堿性環境中,五價釩粒子存在形式有5種

C.lgc總(V)=-4,pH=3 時,五價釩粒子的存在形式主要為

D.(VO2)2SO4是易溶于水的強電解質,故很難發生水解

解析:圖中所示pH 范圍內,五價釩粒子存在形式有6 種,A 項錯誤。存在+2H2O+2H+,若是(VO2)2SO4飽和溶液,再加該固體,濃度不變,平衡不移動,c)不變,B 項正確。lgc總(V)=-4,pH=3時,分析圖像可知,五價釩粒子的存在形式主要為,C 項錯誤。(VO2)2SO4是易溶于水的強電解質,能發生水解2H+,D 項錯誤。

答案:B

【高考加油站】1.釩:常溫下不活潑,不與空氣、水、苛性堿作用,也不與非氧化性的酸作用,但溶于氫氟酸,也溶于強氧化性的酸(如硝酸和王水)中。

2.五氧化二釩:兩性氧化物,但以酸性為主,V2O5+6NaOH2Na3VO4+3H2O;1 800 ℃發生分解反應2V2O52V2O4+O2↑;微溶于水,可形成穩定的膠體,有較強的氧化性,如V2O5+6HCl2VOCl2+Cl2+3H2O。

4.釩酸鹽:偏釩酸鹽(NH4VO3)、正釩酸鹽(Na3VO4)等在加熱條件下不穩定,

二、鉻

例2鉻渣(主要成分為Cr2O3,同時含有少量Al2O3、SiO2等雜質)是鉻電鍍過程中產生的含鉻污泥,實現其綜合利用,可減少鉻產生的環境污染。鉻渣綜合利用工藝流程如下。

已知:①焙燒產生一種無污染氣體;

②PbCrO4難溶于水,易溶于無機強酸或強堿溶液。

下列判斷正確的是( )。

A.焙燒過程中發生反應的化學方程式為 5Cr2O3+14NaOH+6NaNO310Na2CrO4+3N2↑+7H2O

B.為防止引入新雜質,可加入Cr2O3調節溶液pH

C.流程中易回收利用的物質有NaNO3、Pb(NO3)2

D.為防止洗滌時生成過多副產物PbCr2O7,洗滌液中應加入少量NaOH

解析:將鉻渣干燥粉碎后高溫焙燒,Cr2O3和NaOH、NaNO3反應,Cr2O3轉化為Na2CrO4,Cr元素化合價升高,并且產生一種無污染氣體,由此推斷該氣體為N2,故化學方程式為5Cr2O3+14NaOH+6NaNO310Na2CrO4+3N2↑+7H2O,SiO2轉化為Na2SiO3,Al2O3轉化為NaAlO2,溶液浸出過濾后得到含有NaOH、NaNO3、Na2SiO3、NaAlO2、Na2CrO4的溶液。向溶液中加入酸,可以將NaAlO2轉化為Al(OH)3沉淀,Na2SiO3轉化為H2SiO3,從而除去Al、Si,為不引入新雜質,加入的酸應為硝酸。過濾后加入硝酸鉛,得到PbCrO4沉淀,過濾、洗滌、干燥后得到PbCrO4。

焙燒過程中發生反應的化學方程式為5Cr2O3+14NaOH+6NaNO310Na2CrO4+3N2↑+7H2O,A 項正確。調節溶液pH,是為除去Al、Si,應加入硝酸,B項錯誤。NaNO3、Pb(NO3)2均溶于水中不易分離,難回收,C 項錯誤。PbCrO4產品易溶于無機強堿溶液,故洗滌液時不能加入NaOH,D 項錯誤。

答案:A

【高考加油站】鉻元素的常見價態有+6、+3、+2價。在酸性介質中,Cr2+具有強的還原性,Cr3+的還原性較弱,只有用強氧化劑才能將Cr3+氧化成Cr(Ⅵ),+6價鉻在酸性條件下以存在,具有強氧化性,在堿性介質中以存在。

1.Cr(Ⅵ)最重要的化合物是K2Cr2O7,在水溶液中存在平衡(黃色)(橙紅色)+H2O。在酸性溶液中具有強氧化性,如可以氧化濃鹽酸,生成氯氣6Cl-+14H+2Cr3++3Cl2↑+7H2O。

2.Cr(Ⅲ)在酸性條件下以Cr3+存在,堿性條件下以Cr(OH)3、[Cr(OH)4]-(或存在。

三、錳

例3以廢舊鋅錳電池中的黑錳粉[含MnO2、MnO(OH)、NH4Cl、ZnCl2、Fe2O3及炭黑等]為原料制備MnCl2,實現錳的再利用,其工藝流程如下。下列說法不正確的是( )。

A.步驟①分離出NH4Cl、ZnCl2的試劑和操作為:水、過濾

C.步驟③若先加H2O2,后加H2SO4,可提高H2O2的利用率

D.步驟④所得MnCl2溶液中含有少量CaSO4雜質

解析:步驟①將黑錳粉分離為溶液和MnO2粗品,可知步驟①為水洗、過濾分離出NH4Cl溶液、ZnCl2溶液和MnO2粗品,A 項正確。經步驟①分離所得的MnO2粗品中含有MnO2、MnO(OH)、Fe2O3及炭黑等,步驟②是將 MnO2粗品在空氣中加熱,可知MnO(OH)、炭黑(主要成分為C 單質)被O2氧化,其中C被氧化為CO2,MnO(OH)被氧化為MnO2,B 項正確。步驟③中先加入雙氧水,MnO2會催化分解H2O2,使其利用率降低,C項錯誤。步驟④是向MnSO4溶液中加入CaCl2,二者反應生成MnCl2和微溶于水的CaSO4,所以MnCl2溶液中含有少量的CaSO4,D 項正確。

答案:C

【高考加油站】錳元素的常見價態有+7、+6、+4、+3、+2 價,Mn2+在酸性溶液中的穩定性強于在堿性溶液中的穩定性。

3.KMnO4的性質。

熱穩定性差,通常保存在棕色試劑瓶中:4KMnO4+2H2O光照4MnO2↓+3O2↑+4KOH。

四、鈷和鎳

例4在實驗室中以含鎳廢料(主要成分為NiO,含少量FeO、Fe2O3、CoO、BaO 和SiO2)為原料制備NixOy和CoCO3的工藝流程如下。

下列說法不正確的是( )。

A.“濾渣Ⅰ”中含BaSO4和SiO2

B.該過程中包含2次過濾操作

C.“沉鈷”過程發生的反應為Co2++CoCO3↓+CO2↑+H2O

D.“沉鈷”時,若c(Co2+)=0.02 mol·L-1,為了防止沉鈷時生成Co(OH)2,常溫下應控制溶液pH＜7.5(已知Ksp[Co(OH)2]=2×10-15)

解析:由流程可知,含鎳廢料(主要成分為NiO,含少量FeO、Fe2O3、CoO、BaO 和SiO2)中加入稀硫酸酸浸,過濾分離出的濾渣Ⅰ為SiO2、BaSO4,濾液中含有 NiSO4、FeSO4、Fe2(SO4)3、CoSO4,加入氧化劑H2O2氧化FeSO4,加入Na2CO3調節pH 使Fe2(SO4)3轉化為Fe(OH)3沉淀過濾除去,再加入有機萃取劑,振蕩、靜置、分液得到含NiSO4的有機層和含有CoSO4的水層溶液,向含有CoSO4的溶液中加入碳酸氫鈉,使Co2+轉化為CoCO3沉淀,過濾、洗滌、干燥得到CoCO3;在含NiSO4的有機層反萃取得到NiSO4溶液,經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥得到NiSO4·6H2O 晶體,煅燒生成NixOy,以此來解答。結合分析可知,“濾渣Ⅰ”的主要成分是SiO2、BaSO4,A 項正確。根據分析可知,該過程中包含4次過濾操作,B項錯誤。在含有CoSO4的溶液中加入碳酸氫鈉,使Co2+轉化為CoCO3沉淀,離子方程式為項正確。恰好生成Co(OH)2時的c(OH-)=10-6.5mol·L-1,常溫下即pH=7.5,則為了防止沉鈷時生成Co(OH)2,常溫下應控制溶液pH＜7.5,D項正確。

答案:B

【高考加油站】鈷、鎳都是中等活潑的金屬元素,化合物性質(見表1)比較接近,但也存在差異,這與它們的電子層結構有關。

表1

五、鎵和銦

例5廢舊太陽能電池CIGS具有較高的回收利用價值,其主要組成為CuIn0.5Ga0.5Se2。某探究小組回收處理流程如下所示。

回答下列問題:

(1)硒(Se)與硫為同族元素,Se的最外層電子數為_____;鎵(Ga)和銦(In)位于元素周期表第ⅢA 族,CuIn0.5Ga0.5Se2中Cu的化合價為____。

(2)25 ℃時,已知:Kb(NH3·H2O)=2.0×10-5,Ksp[Ga(OH)3]=1.0×10-35,Ksp[In(OH)3]=1.0×10-33,Ksp[Cu(OH)2]=1.0×10-20,“浸出液”中c(Cu2+)=0.01 mol·L-1。當金屬陽離子濃度小于1.0×10-5mol·L-1時視為沉淀完全,則In3+恰好完全沉淀時溶液的pH 為_____(保留1位小數);若繼續加入6.0 mol·L-1氨水至過量,觀察到的實驗現象是先有藍色沉淀,然后____;為探究Ga(OH)3在氨水中能否溶解,計算反應Ga(OH)3(s)+NH3·H2O的平衡常數K=____(保留2 位有效數字,已知:

(3)“濾渣”與SOCl2混合前需要洗滌、干燥,檢驗濾渣中是否洗凈的試劑是____;“回流、過濾”中SOCl2的主要作用是____。

(4)“高溫氣相沉積”過程中發生反應的化學方程式為_____。

解析:CuIn0.5Ga0.5Se2在空氣中高溫焙燒,反應生成Ga2O3、In2O3、Cu2O、SeO2,加硫酸酸浸,用過氧化氫把Cu+氧化為Cu2+,加氨水調節pH 生成[Cu(NH3)4]2+、Ga(OH)3、In(OH)3,濾渣加SOCl2“回流過濾”,得濾渣InCl3和GaCl3溶液,濃縮結晶得GaCl3,“高溫氣相沉積”過程中GaCl3與NH3反應生成GaN。

(1)硫為第ⅥA 族元素,硒(Se)與硫為同族元素,故Se的最外層電子數為6,鎵(Ga)和銦(In)位于元素周期表第ⅢA 族,最高價是+3,根據化合價代數和等于 0,CuIn0.5Ga0.5Se2中Cu的化合價為+1。

(3)向濾渣中加入HCl溶液和BaCl2溶液,若有白色沉淀生成,說明濾渣中未洗凈,反之,則已洗滌干凈;“回流、過濾”中SOCl2,的主要作用是將Ga(OH)3、In(OH)3轉化為GaCl3、InCl3。

(4)“高溫氣相沉積”過程中GaCl3與NH3反應生成GaN 和HCl,反應的化學反應方程式為

答案:(1)6 +1

(2)4.7 藍色沉淀溶解,溶液變成深藍色 2.0×10-6

(3)HCl溶液、BaCl2溶液 將Ga(OH)3、In(OH)3轉化為GaCl3、InCl3

【高考加油站】1.單質。

(1)Ga 熔點29.78 ℃,在手中融化,但Ga的沸點為2 403 ℃,是液相存在的溫度范圍最大的金屬單質,常用于制造高溫下使用的溫度計。

(2)常溫下,鎵與銦表面存在氧化層,導致其化學性質不活潑。Ga與Al類似,具有兩性,金屬性弱于Al,既可以與酸反應,也可以與堿反應

(3)常溫下,鎵與銦可以和氯氣、溴反應;高溫下,都可以與O2、S、P、As等非金屬直接化合。

2.氧化物和氫氧化物。

(1)Ga2O3和Ga(OH)3兩性偏酸性:

Ga(OH)3+3OH-[Ga(OH)6]3-。

Ga(OH)3可溶于 NH3· H2O,而Al(OH)3不溶于NH3·H2O

(2)In2O3和In(OH)3幾乎無兩性表現,In2O3溶于酸,但不溶于堿。

(3)Ga(OH)3、In(OH)3微熱時脫水,生成氧化物表示Ga或In)。

3.鎵與銦的制備。

(1)因為鎵常與鋁、鋅、鍺等金屬混在一起,所以可在提取出這些金屬之后的廢料中提取。例如,由鋁礬土礦制備Al2O3的工藝流程中,鋁酸鹽溶液經CO2酸化后分離出Al(OH)3沉淀的母液富集了鎵。將母液再次經CO2酸化后便可得到富集的Ga(OH)3,使之溶于堿再進行電解即可得到單質鎵:+3e-Ga+4OH-。

(3)銦的制備方法是將提取過的閃鋅礦殘渣用硫酸浸取,酸浸取液經中和后投入鋅片,銦就沉積在鋅片上,用極稀的硫酸溶去鋅,將不溶雜質溶于硝酸,再加入BaCO3,便沉淀出氧化銦,在高溫下用氫氣還原制得金屬銦。