專項(xiàng)02．萃取法分離提純金屬元素（解析版）

備戰(zhàn)2022年高考化學(xué)－實(shí)驗(yàn)綜合題專項(xiàng)復(fù)習(xí)系列專項(xiàng)2－萃取法分離提純金屬元素一、萃取法：萃取法也可用于金屬元素的分離和富集。萃取劑主要在有色金屬濕法冶金行業(yè)應(yīng)用廣泛,比如銅、鋅、鈷鎳、鎘、金銀、鉑系金屬、稀土等行業(yè)。金屬萃取劑主要是一些常見(jiàn)的如磷酸、銨鹽、苯等七種的氫離子或者羥基被一些長(zhǎng)鏈烷基給取代。金屬與這些萃取劑結(jié)合，就會(huì)變成金屬有機(jī)化合物，而溶解于有機(jī)溶劑中。由于各種金屬與這些萃取劑的結(jié)合能力不同，而導(dǎo)致這些萃取劑萃取金屬的順序不同，從而分離這些金屬離子。金屬萃取劑萃取原理：利用兩種互不相溶互不反應(yīng)（微溶）的溶劑中溶解度或分配系數(shù)的不同，使化合物從一種溶劑內(nèi)轉(zhuǎn)移到另外一種溶劑中。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來(lái)。無(wú)機(jī)離子一般易溶于水相，有機(jī)物易溶于有機(jī)相。比如說(shuō)，氯離子，鈣離子等都易溶于水，脂類(lèi)易溶于丙酮或者醚類(lèi)（乙醚石油醚）。有機(jī)相溶于醇類(lèi)，但醇類(lèi)中含有氫鍵有易溶于水。溶劑萃取是基于有機(jī)溶劑對(duì)不同的金屬離子具有不同的溶解因而對(duì)溶液中的金屬離子可以進(jìn)行富集與分離。例如含有機(jī)劑的有機(jī)相與含有金屬離子的溶液相（也稱水相）互相接觸時(shí)，由于金屬離子在兩相中的溶解度不同而重新分配，從而實(shí)現(xiàn)一種金屬在有機(jī)相中的富集并與其他雜質(zhì)分離。現(xiàn)以一種名為N-510的萃取劑對(duì)含銅溶液的萃取為例，來(lái)說(shuō)明萃取的機(jī)理。N-510為羥肟型萃取劑，全名叫2羥基-5仲辛基二甲苯甲酮肟，分子量為325。結(jié)構(gòu)式為：萃取時(shí)，它能與銅離子生成金屬鰲合物，使銅被萃取，并析出氫離子。其反應(yīng)可用下式表示：Cu2+（水相）＋2RH（有機(jī)相）CuR（有機(jī)相）＋2H+（水相）上式反應(yīng)是可逆的，在弱酸性介質(zhì)中，由于反應(yīng)生成的金屬螯合物穩(wěn)定性好，反應(yīng)向右進(jìn)行，即萃取反應(yīng)。在強(qiáng)酸性介質(zhì)中，上述反應(yīng)向左進(jìn)行，即鰲合物的金屬離子將會(huì)由有機(jī)相轉(zhuǎn)入水相，有機(jī)相能獲得再生，這叫“反萃取”反應(yīng)。（二）反萃取的教材介紹將富集在四氯化碳中的碘單質(zhì)利用化學(xué)轉(zhuǎn)化法重新富集在水中的方法即為反萃取法。（三）高中化學(xué)中的體現(xiàn)1．在磁性材料、電化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。以鈷礦[主要成分是CoO、、，還含及少量、、CuO及等]為原料可制取。主要步驟如下：（1）浸?。河名}酸和溶液浸取鈷礦，浸取液中含有、、、、、、等離子。寫(xiě)出發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：___________。（2）除雜：向浸取液中先加入足量氧化，再加入NaOH調(diào)節(jié)pH除去、、。有關(guān)沉淀數(shù)據(jù)如下表(“完全沉淀”時(shí)金屬離子濃度)：沉淀恰好完全沉淀時(shí)的pH5.22.89.46.710.1若浸取液中，則須調(diào)節(jié)溶液pH的范圍是___________(加入和NaOH時(shí)，溶液的體積變化忽略)。（3）萃取、反萃?。合虺s后的溶液中，加入某有機(jī)酸萃取劑(HA)2，發(fā)生反應(yīng)：。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：當(dāng)溶液pH處于4.5～6.5范圍內(nèi)，萃取率隨溶液pH的增大而增大(如圖-1所示)，其原因是___________。向萃取所得有機(jī)相中加入，反萃取得到水相。該工藝中設(shè)計(jì)萃取、反萃取的目的是___________。（4）沉鈷、熱分解：向反萃取后得到的水相中加入溶液，過(guò)濾、洗滌、干燥，得到固體，加熱制備。在空氣中加熱，反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響如圖-2所示，請(qǐng)寫(xiě)出500～1000℃時(shí)，發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式___________。2．鋰離子電池的廣泛應(yīng)用要求處理電池廢料以節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。鈷酸鋰電池的正極材料主要含有LiCoO2、導(dǎo)電劑乙炔黑、鋁箔及鍍鎳金屬鋼殼，處理該廢舊電池的一種工藝如圖所示?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）用NaOH溶液處理正極材料是為了除去廢舊電池中的__________________，為提高該物質(zhì)的去除率可采取的措施有__________________(任寫(xiě)兩條)。（2）“酸浸”過(guò)程中LiCoO2發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)________________________。在“酸浸”過(guò)程中所用H2O2遠(yuǎn)高于理論用量，造成這一結(jié)果的原因?yàn)開(kāi)_______________________________。（3）“萃取”和“反萃取”可簡(jiǎn)單表示為，則反萃取過(guò)程中加入的試劑X是___________(填化學(xué)式)。（4）已知Li2CO3溶解度隨溫度變化曲線如下圖所示。加入Na2CO3溶液后應(yīng)進(jìn)行的操作是___________。（5）設(shè)溶液中c(Co2+)=0.1mol?L-1，為沉淀Co2+，向CoSO4溶液中加入(NH4)2C2O4而不是Na2C2O4。利用如下數(shù)據(jù)通過(guò)列式計(jì)算說(shuō)明原因：___________。已知：25℃時(shí)0.1mol?L-1(NH4)2C2O4溶液的pH約為6.4；0.1mol?L-1Na2C2O4溶液的pH約為8.35；Ksp[Co(OH)2]=6.0×10-15。3．一種從陽(yáng)極泥(主要成分為Cu、Ag、Pt、Au、Ag2Se、Cu2S等)中回收Se和貴重金屬的工藝流程如圖所示：已知：①該工藝中萃取與反萃取的原理為：2RH+Cu2+=R2Cu+2H+。②S2O易與Ag+形成配離子：Ag++2S2O=[Ag(S2O3)2]3-，上述工藝條件下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=2.80×1013。③上述工藝條件下，AgCl的溶度積常數(shù)：Ksp(AgCl)=1.80×10-10。回答下列問(wèn)題：（1）“焙燒”產(chǎn)生的SO2與SeO2的混合煙氣可用水吸收制得單質(zhì)Se，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_________________________________________。（2）“濾渣I”的主要成分是_____________________(填化學(xué)式)；“酸浸氧化”中通入氧氣，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的思想，其目的是___________________________________。（3）“反萃取劑”最好選用_____________________(填化學(xué)式)溶液。（4）“溶浸”過(guò)程中濾渣II被Na2S2O3溶液溶解，發(fā)生反應(yīng)的平衡常數(shù)為_(kāi)____________________。（5）“還原”過(guò)程中S2O沒(méi)有參與氧化還原過(guò)程，“濾液IV”中還主要含有Na2SO3?！斑€原”過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)____________________。（6）為減少工藝中試劑用量，“濾液IV”可返回___________________________________(填工序名稱)工序循環(huán)使用。但循環(huán)多次后，銀的浸出率會(huì)降低。試從化學(xué)平衡的角度解釋可能的原因：_____________________。4．鎳、鈷及其化合物在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上用紅土鎳礦(主要成分為NiO，含CoO、FeO、Fe2O3、Al2O3、MgO、CaO和SiO2)制備N(xiāo)iSO4·6H2O和鈷的工藝流程如圖所示。已知：①Ni、Co的化學(xué)性質(zhì)與Fe相似：②溶液中金屬離子開(kāi)始沉淀和完全沉淀的pH如表所示：金屬離子Ni2+Al3+Fe3+Fe2+Co2+Mg2+開(kāi)始沉淀時(shí)的pH6.84.12.27.57.29.4沉淀完全時(shí)的pH9.25.43.29.09.012.4③“萃取”可將金屬離子進(jìn)行富集與分離，原理如下：X2+(水相)+2RH(有機(jī)相)XR2(有機(jī)相)+2H+(水相)?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）濾渣I的主要成分為_(kāi)________________________(填化學(xué)式)。（2）調(diào)pH的目的為沉鐵和沉鋁。沉鐵時(shí)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)________________________。如何判斷NaClO已足量：_________________________(寫(xiě)出具體操作過(guò)程)。（3）濾渣3的成分為MgF2和CaF2。若濾液1中c(Ca2+)=1.0×10-3molL，當(dāng)濾液2中c(Mg2+)=1.5×10-6mol/L時(shí)，除鈣率為_(kāi)________________________(忽略沉淀前后溶液體積變化)。(已知：Ksp(CaF2)=1.5×10-10、Ksp(MgF2)=7.5×10-11)（4）用25%P507+5%TBP+70%磺化煤油做萃取劑，萃取時(shí)，Co、Ni的浸出率和鈷/鎳分離因素隨pH的關(guān)系如圖所示：萃取時(shí)，選擇pH為_(kāi)________________左右。（5）試劑X為_(kāi)_______________________。溫度低于30.8℃30.8℃~53.8℃53.8℃~280℃高于280℃晶體形態(tài)NiSO4·7H2ONiSO4·6H2O多種結(jié)晶水合物NiSO4（6）資料顯示，硫酸鎳結(jié)晶水合物的形態(tài)與溫度有如表關(guān)系。由NiSO4溶液獲得穩(wěn)定的NiSO4·6H2O晶體的操作M依次是蒸發(fā)濃縮、_________________________、過(guò)濾、洗滌、干燥。5．從某礦渣[成分為NiFe2O4(鐵酸鎳)、NiO、FeO、CaO、SiO2等]中回收NiSO4的工藝流程如下：已知：①(NH4)2SO4在350℃以上會(huì)分解生成NH3和H2SO4②NiFe2O4在焙燒過(guò)程中生成NiSO4、Fe2(SO4)3回答下列問(wèn)題：（1）焙燒前將礦渣與(NH4)2SO4混合研磨，混合研磨的目的是_________________________。（2）600℃焙燒時(shí)，(NH4)2SO4與NiFe2O4反應(yīng)的化學(xué)方程式________________________________。（3）浸泡過(guò)程中；Fe2(SO4)3生成FeO(OH)的離子方程式為_(kāi)_______________________________。（4）“浸取液”中c(Ca2+)=1.0×10-3mol·L-1，當(dāng)除鈣率達(dá)到99%時(shí)，溶液中的c(F-)=_______________mol·L-1[已知Ksp(CaF2)=4.0×10-11]（5）以Fe、Ni為電極制取Na2FeO4的原理如圖所示。通電后，在鐵電極附近生成紫紅色的，若pH過(guò)高，鐵電極區(qū)會(huì)產(chǎn)生紅褐色物質(zhì)①向鐵電極區(qū)出現(xiàn)的紅褐色物質(zhì)中加入少量的NaClO溶液可使沉淀溶解。該反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)________________________。②電解時(shí)離子交換膜(b)為_(kāi)_________________(填“陰”或“陽(yáng)”)離子交換膜。（6）溶劑萃取可用于對(duì)溶液中的金屬離子進(jìn)行富集與分離：Fe2+(水相)+2RH(有機(jī)相)?FeR2(有機(jī)相)+2H+(水相)。萃取劑與溶液的體積比(V0/VA)對(duì)溶液中Ni2+、Fe2+的萃取率影響如圖所示，V0/VA的最佳取值為_(kāi)__________。在強(qiáng)酸性介質(zhì)中“反萃取”能使有機(jī)相再生而循環(huán)利用。6．鉆酸鋰電池成用廣泛，電池正極材料主要含有LiCoO2、導(dǎo)電劑乙炔黑。鋁箔及少量Fe,可通過(guò)下列實(shí)驗(yàn)方法回收鈷、鋰。幾種金屬離子沉淀完全(離子濃度為10-5mol/L)的pH如下表:離子Fe3+Al3+Fe2+Co2+溶液pH3.24.79.09.2回答下列問(wèn)題:（1）LiCoO2中，Co

元素的化合價(jià)為_(kāi)______________，濾液I的主要成分是__________________。（2）已知:

氧化性Co3+>H2O2>Fe3+，“酸浸”過(guò)程中H2O2所起主要作用是__________________?！罢{(diào)節(jié)pH”除去的離子主要有Al3+和________________。（3）酸浸時(shí)浸出率隨溫度變化如圖所示，溫度升高至50℃以上時(shí)浸出率下降的原因是____________。（4）“萃取”和“反萃取“可簡(jiǎn)單表示為:Co2++2(HA)2

Co(HA2)2+2H+則反萃取過(guò)程加入的試劑X是_______。（5）向CoSO4溶液中加入NH4HCO3溶液，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)_________。7．以電鍍污泥[主要成分為Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3、Fe(OH)3和SiO2等]為原料制備納米銅等的工藝流程如下：（1）“浸取”時(shí)，工業(yè)上采用3mol·L－1H2SO4溶液在室溫下浸取1h。①Cu2(OH)2CO3被浸取的化學(xué)方程式為_(kāi)_____________________________________；②下列措施可提高銅和鐵的浸取率的是________(填字母)。a.將電鍍污泥漿化處理b.適當(dāng)增大液、固質(zhì)量比c.浸取時(shí)間縮短一半d.控制浸取終點(diǎn)pH＞3（2）“萃取”時(shí)，兩種金屬離子萃取率與pH的關(guān)系如圖甲所示。當(dāng)pH＞1.7時(shí)，pH越大金屬離子萃取率越低，其中Fe3＋萃取率降低的原因是_____________________________________________________________。（3）“反萃取”得到CuSO4溶液制備納米銅粉時(shí)，Cu2＋的還原率隨溫度的變化如圖乙所示。①該反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)___________________________________________；②在20～75℃區(qū)間內(nèi)，溫度越高Cu2＋的還原率也越高，其原因是____________________。（4）在萃取后的“水相”中加入適量氨水，靜置，再經(jīng)_____________等操作可得到Fe2O3產(chǎn)品。8．苯胺為無(wú)色液體，還原性強(qiáng)，易被氧化；有堿性，與酸反應(yīng)生成鹽。常用硝基苯與H2制備：。其部分裝置及有關(guān)數(shù)據(jù)如下：

沸點(diǎn)/℃

密度g/mL

溶解性

硝基苯

210.9

1.20

不溶于水，易溶于乙醇、乙醚

苯胺

184.4

1.02

微溶于水，易溶于乙醇、乙醚

乙醚

34.6

0.71

不溶于水，易溶于硝基苯、苯胺

實(shí)驗(yàn)步驟：①檢查裝置的氣密性，連接好C處冷凝裝置的冷水。②先向三頸燒瓶中加入沸石及硝基苯，再取下恒壓分液漏斗，換上溫度計(jì)。③打開(kāi)裝置A、B間活塞，通入H2一段時(shí)間。④點(diǎn)燃B處的酒精燈，加熱，使溫度維持在140℃進(jìn)行反應(yīng)。⑤反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉裝置A、B間活塞，加入生石灰。⑥調(diào)整好溫度計(jì)的位置，繼續(xù)加熱，收集182～186℃餾分，得到較純苯胺?；卮鹣铝袉?wèn)題：（1）步驟⑥中溫度計(jì)水銀球的位置在____________________________。（2）下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)的敘述中，錯(cuò)誤的是____________________________。A．冷凝管的冷水應(yīng)該從b進(jìn)從a出B．實(shí)驗(yàn)開(kāi)始酎，溫度計(jì)水銀球應(yīng)插入反應(yīng)液中，便于控制反應(yīng)液的溫度C．裝置A中應(yīng)使用鋅粉，有利于加快生成H2的速率D．加入沸石的目的是防止暴沸（3）若實(shí)驗(yàn)中步驟③和④的順序顛倒，則實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的后果是_________________________。（4）蒸餾前，步驟⑤中加入生石灰的作用是________________________________。（5）有學(xué)生質(zhì)疑反應(yīng)完成后，直接蒸餾得到苯胺的純度不高，提出以下流程：苯胺在酸性條件下生成鹽酸苯胺被水萃取，在堿性溶液中又被放有機(jī)溶劑反萃取，這種萃取——反萃取法簡(jiǎn)稱反萃。實(shí)驗(yàn)中反萃的作用是______________________；在分液漏斗中進(jìn)行萃取分液時(shí)，應(yīng)注意不時(shí)放氣，其目的是____________________________________________。（6）苯胺還原性強(qiáng)，易被氧化，請(qǐng)配平下列化學(xué)方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)。9．CoCl2·6H2O是一種飼料營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑。工業(yè)上利用水鈷礦[主要成分為Co2O3、Co(OH)3，還含少量Fe2O3、Al2O3、MnO等]制取CoCl2·6H2O的工藝流程如下：已知：①浸出液中含有的陽(yáng)離子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Al3+等；②CoCl2·6H2O熔點(diǎn)為86℃，加熱至110～120℃時(shí)，失去結(jié)晶水生成無(wú)水氯化鈷。③部分陽(yáng)離子以氫氧化物形式沉淀時(shí)溶液的pH見(jiàn)下表：（金屬離子濃度為：0.01mol/L）沉淀物Fe(OH)3Fe(OH)2Co(OH)2Al(OH)3Mn(OH)2開(kāi)始沉淀2.77.67.64.07.7完全沉淀3.79.69.25.29.8（1）水鈷礦進(jìn)行預(yù)處理時(shí)加入Na2SO3，其主要作用是(用化學(xué)方程式說(shuō)明)。（2）寫(xiě)出NaClO3在浸出液中發(fā)生主要反應(yīng)的離子方程式；若不慎向“浸出液”中加了過(guò)量的NaClO3，可能會(huì)生成有毒氣體，寫(xiě)出生成該有毒氣體的離子方程式。（3）“系列操作”中包含3個(gè)基本實(shí)驗(yàn)操作依次是、和過(guò)濾。（4）Na2CO3調(diào)萃取液中含有的主要金屬陽(yáng)離子是。（5）為尋找合適的萃取劑，發(fā)現(xiàn)某種萃取劑對(duì)部分離子的萃取率與溶液pH的關(guān)系如下圖所示。請(qǐng)寫(xiě)出有關(guān)萃取規(guī)律，并說(shuō)明本流程是否能用該萃取劑進(jìn)行萃取。10．用工業(yè)FeCl3粗品(含Ca、Mn、Cu等雜質(zhì)離子)制取高純鐵紅，實(shí)驗(yàn)室常用萃取劑X(甲基異丁基甲酮)萃取法制取高純鐵紅的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：已知：HCl(濃)+FeCl3HFeCl4試回答下列問(wèn)題：（1）用萃取劑X萃取，該步驟中：①Ca、Mn、Cu等雜質(zhì)離子幾乎都在(填“水”或“有機(jī)”)相。②若實(shí)驗(yàn)時(shí)共用萃取劑X120mL，萃取率最高的方法是