专项8——分离、纯化及其操作

一。常见产品分离纯化方法及其应用

1.过滤

固液分离的方法，主要有常压过滤、减压过滤、热过滤三种。

(1)常压过滤：可以通过预处理、调节pH等工艺去除杂质，但值得注意的是，需要分析产品需求和生产目的综合考虑，准确判断产生的滤液和滤渣过滤后。过滤器的主要部件可用于准确判断是否留下滤液或滤渣。

【练习】三氧化镍是重要的电子元件材料和电池材料。工业上用含镍废料（主要是镍、铁、钙、镁合金）生产草酸镍（NiC2O4·2H2O），然后草酸镍经高温煅烧生产三氧化镍。已知草酸的钙盐、镁盐和镍盐均难溶于水。根据下列流程图回答问题。

操作1 的名称是__________。

【答】过滤

【分析】根据流程图，含镍废液用酸溶解，除去不溶物，故操作1的名称为过滤。

【练习】精对苯二甲酸（PTA）是生产聚酯纤维的重要化工原料。生产过程中产生的氧化渣主要含有苯甲酸、对苯二甲酸、钴锰催化剂等，可采用以下工艺流程回收纯化PTA渣中的活性成分苯甲酸、Co2+、Mn2+，以达到废物再利用的目的。

(1)操作方法I是______；实验室进行操作II所使用的主要玻璃仪器是_________。

[答案] 过滤分液漏斗、烧杯

【分析】从分析可以看出，操作方法一为过滤；操作II为液体分离。用于液体分离的主要玻璃仪器包括分液漏斗和烧杯。

(2)减压过滤、抽滤

吸滤和真空过滤是指其原理与普通常压过滤相同的操作。与普通过滤相比，抽滤加快了过滤速度。吸滤的优点是可以快速过滤，有时还可以滤掉气体，并且可以快速干燥产品。

【练习】氯碱行业固体废盐污泥的工业化利用（主要成分为Mg(OH)2、CaCO3、BaSO4，此外还有NaCl、Al(OH)3、Fe(OH)3、Mn( OH)2等)与废稀硫酸反应，高收率制备七水硫酸镁，既处理了三废，又具有经济效益。工艺流程如下：

(3)本工艺多次采用吸滤，其优点在于____________。四次抽滤时：抽滤所得滤渣A的成分为____________和CaSO4； 吸滤所得滤渣B的成分为MnO2、____________、____________；抽滤所得滤液C中主要杂质阳离子的检验方法为____________；吸滤排出产品。

（4）根据溶解度曲线，操作M应采用的方法是适当的浓度，____________。

【答案】 (3) 快速BaSO4 Fe(OH)3 Al(OH)3 火焰反应(4) 趁热过滤

【分析】（3）吸滤操作的优点是过滤速度快；滤渣A是在强酸性条件下过滤得到的，故其主要成分为BaSO4和CaSO4；在pH56下过滤得到滤渣B，根据氢氧化物完全沉淀的pH可以看出：滤渣B的主要成分为Al(OH)3、Fe(OH)3、MnO2；滤液C的主要成分为Na2SO4、MgSO4和少量CaSO4，其主要杂质阳离子为Na+，可用火焰显色反应测试。

(4)根据溶解度曲线，CaSO4在40左右溶解度最大，80左右溶解度最低。因此，操作M应通过适当的趁热浓缩和过滤来进行，以尽可能多地除去CaSO4。

(3)热过滤

当溶液温度降低时，某些物质往往会结晶和沉淀。为了滤除此类溶液中所含的其他可溶性杂质，通常使用热漏斗来防止溶质结晶和沉淀。之后，将玻璃漏斗放入装有热水的铜热漏斗中，以保持溶液的温度。

【练习】硼镁泥是一种工业废物。主要成分为MgO（40%），还含有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质。硼镁泥生产的硫酸镁可用于印染、造纸、医药等行业。其他行业。从硼镁泥中提取MgSO4·7H2O的工艺流程如下：

已知MgSO4和CaSO4的溶解度如下：

温度()

“除钙”是指从MgSO4和CaSO4的混合溶液中除去CaSO4。根据上表数据，简述除钙的步骤_______________和_______________________。

【解答】趁热蒸发浓缩（结晶）、过滤

【分析】温度影响硫酸镁和硫酸钙的溶解度。温度越高，硫酸钙的溶解度越小。可采用蒸发浓缩和热过滤的方法除去硫酸钙。操作一”是将滤液继续蒸发浓缩，然后冷却结晶，过滤，得MgSO4·7H2O，故答案为蒸发浓缩（结晶）；趁热过滤。

2. 提取

(1)萃取是分离、提纯物质的方法。通常分为液液萃取和固液萃取两种方法。

液液萃取是利用溶质在互不混溶的溶剂中溶解度的不同，用一种溶剂（萃取剂）从其与另一种溶剂组成的溶液中萃取溶质的过程。

固液萃取是利用固体吸附剂吸附液相中的某些溶质，达到分离或纯化的目的。

(2) 萃取与反萃取

在溶剂萃取分离过程中，萃取操作完成后，为了进一步纯化目标产物或便于下一步分离操作的实施，往往需要将目标产物转移到水相中。这种调节水相条件，将目标产物从有机相转移到水相的萃取操作称为反萃取，可以看作萃取的逆过程。

【练习】实验室用含钴废料（主要成分为Co，含有一定量的NiO、Al2O3、Fe、SiO2等）制备草酸钴晶体（CoC2O4·2H2O）的过程如图所示数字。众所周知：草酸钴晶体难溶于水； RH 是有机物（难以电离）。回答以下问题：

(4) 添加有机萃取剂的目的是________________________________________。

（5）“反萃取”的原理是利用反萃取剂将萃取物从有机相返回到水相的过程。操作后，向溶解有NiR2的有机层中加入硫酸溶液，即可恢复RH。写出该步骤中反应的离子方程式____________________。

【答案】（4）溶解NiR2并与水层分离（5）NiR2+2H+=2RH+Ni2+

【分析】（4）据分析，加入有机萃取剂的目的是溶解NiR2，使其与水层分离；

（5）“反萃取”的原理是利用反萃取剂将萃取物从有机相返回到水相的过程。操作后，向溶解有NiR2的有机层中加入硫酸溶液，即可重新获得RH。反应离子方程式为NiR2+2H+=2RH+Ni2+。

【练习】粘土矿石（含有V2O5、Fe2O3、Al2O3、SiO2等不溶成分）制备V2O5的工艺流程如下：

已知：硫酸氧钒[(VO)SO4]在高温下易分解生成VO2和SO3

萃取剂对相关离子的萃取能力如下：

粒子

萃取能力

强（随着pH 值的增加而增加）

虚弱的

强大的

虚弱的

(3)用20%硫酸“反萃取”的目的是____________________，“氧化”的离子方程式是____________________。

(4)采用反萃取法从四氯化碘溶液中提取碘元素，并绘制流程图____________________。

【答案】（3）降低有机相中VO2+和VO的萃取能力

【分析】

(3)根据题意可知，有机相中VO2+的萃取能力随着pH的升高而增大，因此加入20%硫酸降低了有机相中VO2+和VO的萃取能力阶段；氧化过程中加入KClO3和氨水氧化VO2+，对于红钒沉淀，根据电子守恒定律和元素守恒定律可得离子方程：

(4)碘元素与NaOH溶液反应，得到易溶于水的碘化钠和碘酸钠，因此可先将浓NaOH溶液加入到碘CCl4溶液中，摇匀，静置，分离得到I-和IO。然后向该水溶液中加入稀硫酸。 I-和IO在酸性环境下发生中和反应，得到含碘悬浮液。过滤得到碘元素。流程图如下。

【练习】钒及其化合物在工业上有多种用途。某钒精矿的主要成分及质量分数如下：

物质

质量分数%

从钒精矿中提取五氧化二钒的工艺流程如下：

(2)萃取剂对四价钒选择性较高，萃取Fe3+但不萃取Fe2+，因此可用____________（填写名称，下同）对萃取前的渗滤液进行“还原”。检验“还原”滤液中是否含有Fe3+，可用的化学试剂是__________。

(3)“溶剂萃取反提”可表示为：VO2+ + (HR2PO4)2(O)VO(R2PO4)2(O)+ 2H+。其中(HR2PO4)2(O)为萃取剂。为了提高VO2+的产率，剥离剂应为__________（填“酸”、“碱”或“介质”）。

【答案】（2）铁粉硫氰酸钾溶液（3）酸

【分析】（2）根据分析可知，提取前可以使用铁粉对渗滤液进行“还原”；铁离子与硫氰酸钾溶液反应呈红色，可用硫氰酸钾溶液检查是否含有铁离子；

(3)为了提高VO2+的产率，平衡需要向左移动，这就需要溶液中有大量的氢离子，因此反萃剂应呈酸性。

3.蒸馏

蒸馏是利用液体混合物中各组分沸点的不同，对液体混合物进行加热，使一种组分变成蒸气，然后凝结成液体，从而与其他组分分离的操作。它用于分离沸点相差很大的液体混合物。

【练习】亚磷酸钠（Na2HPO3）应用广泛，也是一种经济高效的催化剂。 “NaH2PO2还原法”制备高纯氢碘酸和亚磷酸钠（Na2HPO3）的工业流程如下：

“合成”过程中的主要氧化产物是亚磷酸（H3PO3），相应的化学方程式为：NaH2PO2+I2+H2O=H3PO3+NaI+HI。

已知亚磷酸（H3PO3）是二元酸，电离常数K1=3.7l0-2，K2=2.9l0-7； 180分解成PH3和磷酸。请回答：

真空蒸馏的原因是______________。

[解答] 防止H3PO3在温度高于180时分解成PH3和磷酸

【分析】从亚磷酸在180分解成PH3和磷酸可以看出，为了防止亚磷酸的分解反应，在将亚磷酸转化为亚磷酸二氢钠时，应采用减压蒸馏，所以答案是：防止温度高于180时，H3PO3分解成PH3和磷酸。

【练习】硼氢化钠（NaBH4）广泛用于化工生产。常温下与水反应，易溶于异丙胺（沸点33）。工业上，可用硼镁矿石生产NaBH4（主要成分为Mg2B2O5·H2O，含有少量杂质Fe3O4）。工艺流程如下：

工序2的名称为____________________，该工序可回收材料为____________________。

[答案] 蒸馏异丙胺

【分析】操作1得到的物质是硼氢化钠和异丙胺的混合物。异丙胺的沸点为33，沸点低，易挥发。两者可通过蒸馏操作分离。因此，操作2为蒸馏，分离得到的异丙胺。丙胺可以回收利用，所以答案是：蒸馏；异丙胺。

三。模拟练习

1、高锰酸钾生产过程中产生的废锰渣（主要成分为MnO2、KOH、MgO、Fe2O3）可用于制备MnSO4晶体。工艺流程如下：

该工艺条件下金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH值如下表所示：

金属离子

开始沉淀pH

完全沉淀pH值

回答以下问题：

(1) MnSO4 中阴离子的空间构型为____________________。

(2) 提高“反应I”速率可采取的措施是__________（写除“加热”外的任何一项）。滤渣A的主要成分是_______（填写化学式）。

（3）黄铁矿（FeS2）在“反应II”中的作用是____________________。

(4)“反应III”的离子方程式是____________________________。

(5)“pH调节”步骤中，pH值应调节至不低于____________________________。

(6)取MnSO4固体0.1510g，溶于适量水中，加硫酸酸化，用过量的NaBiO3(难溶于水)完全氧化，过滤、洗涤。洗涤液合并至滤液后，加入0.5360g Na2C2O4固体。反应充分后，用0.0320 mol/L KMnO4 溶液滴定，用完20.00 mL，计算样品中MnSO4 的质量分数____________________（保留三位有效数字）。

【答案】（1）正四面体

(2)适当提高硫酸MnO2的浓度

(3) 将MnO2还原为Mn2+ (4) (5) 3.2 (6) 98.0%

【分析】

在废锰渣中加入硫酸，其中MnO2不发生反应。过滤后的滤渣A的主要成分是MnO2。反应II是MnO2与黄铁矿在酸性条件下发生的氧化还原反应。反应为：过滤后得到S和含硫酸的硫酸。铁、硫酸锰等。溶液反应三中加入MnO2，将Fe2+氧化为Fe3+。添加CaCO3的反应是利用Fe3+和双重水解去除Fe3+。最后将溶液蒸发浓缩，冷却结晶，过滤，洗涤，干燥，得到硫酸锰产品。

【分析】

(1)离子中S原子采用sp3杂化，离子具有正四面体结构。硫原子位于正四面体的中心，四个氧原子位于正四面体的四个顶点，因此充满了正四面体；

(2)提高反应速率的措施有适当提高温度、适当增加酸浓度、破碎黄铁矿、搅拌等，根据问题选择一种。废渣A为MnO2，故补入适量并提高硫酸和MnO2的浓度；

(3)根据反应方程式，黄铁矿被氧化，用还原剂将MnO2还原为Mn2+，于是MnO2被还原为Mn2+；

(4)根据题意，反应的离子方程式为，故填写；

(5)从表中数据可以看出，Fe3+完全沉淀时的pH为3.2，Mn2+开始沉淀时的pH为9.27。为彻底去除Fe3+而不影响Mn2+，pH值不应低于3.2，但不高于9.27，故填3.2；

(6) 这是测定MnSO4含量的间接测定方法。根据题意，与样品发生反应的物质量=物质总量-滴定中消耗的物质量，由此计算。 Na2C2O4物质的添加量=0.004mol。由上式可知，剩余物质的量为0.0016mol。由此可知，与样品反应的物质的量为0.004-0.0016=0.0024mol，即样品中MnSO4的量为0.0098mol，其质量分数=98.0%，故填98.0%。

2、综合利用锌冶炼渣（主要含铁酸镓Ga2(Fe2O4)3、铁酸锌ZnFe2O4）得到三种金属盐，进一步利用镓盐制备光电性能优异的氮化镓（GaN）。部分工艺流程如下：

已知：常温下，渗滤液中各离子的浓度及开始形成氢氧化物沉淀的pH值见表1。

工艺条件下金属离子的萃取率（进入有机层的金属离子的百分比）见表2。

表1 金属离子浓度和沉淀开始时的pH值

金属离子

浓度(mol·L-1)

开始沉淀pH

表2 金属离子萃取率

金属离子

萃取率(%)

(1) Ga2(Fe2O4)3中Ga的化合价为____________________，“浸出”时其反应的离子方程式为____________。

(2)滤液1中可回收物质为____________________，滤饼主要成分为____________________；萃取前添加的固体X 是____________________。

(3)Ga和Al属于同一主族，化学性质相似。剥离后，镓以____________的形式存在（填写化学式）。

(4)电解工艺包括电解反萃液生产粗镓和粗镓精炼两个步骤。精炼时，以粗镓为阳极，NaOH溶液为电解液，阴极的电极反应为____________________________。

(5)采用MOCVD(金属有机化学气相沉积)技术生产GaN：以合成的三甲基镓为原料，与NH3发生一系列反应，得到GaN和另一种产物。该过程的化学方程式为：____________________________。

(6) 滤液1中残留Ga3+浓度为____________________ mol·L-1（记下计算过程）。

【答案】 (1)+3价Fe2O+8H+=2Fe3++4H2O (2)硫酸锌Fe(OH)3、Ga(OH)3 Fe (3)NaGaO2 (4)GaO+3e-+2H2O=Ga +4OH - (5) Ga(CH3)3+NH33CH4+GaN (6) 3.010-10.2

【分析】

锌冶炼渣用稀硫酸酸浸后得到的滤液中含有亚铁离子、铁离子、锌离子和Ga3+。加入过氧化氢氧化亚铁离子，调节pH=5.4，沉淀铁离子和Ga3+。滤液1含有锌离子。得到的滤饼加入盐酸酸化，得到氯化铁和氯化镓。添加固体铁以将铁离子转化为亚铁离子。然后使用萃取剂萃取Ga3+。加入氢氧化钠溶液将Ga3+转化为NaGaO2，电解生成NaGaO2溶液。元素Ga，回答一下。

【分析】

(1) Ga2(Fe2O4)3中Fe的价态为+3，O的价态为-2。根据价态代数之和为0，可知Ga的价态为+3。 “浸出”过程中其反应的离子方程式为Fe2O+8H+=2Fe3++4H2O。

(2)根据上述分析可知，滤液1中含有硫酸锌，可回收物质为硫酸锌。调节pH=5.4，沉淀铁离子和Ga3+。滤饼主要成分为Fe(OH)3、Ga(OH)3；萃取前加入固体X的目的是还原铁离子，则X为Fe。

(3)Ga和Al属于同一主族，化学性质相似；反萃后，加入氢氧化钠溶液，将Ga3+转化为NaGaO2，即镓的存在形式为NaGaO2。

(4)精炼时，以粗镓为阳极，NaOH溶液为电解质，阴极获得电子并转化为Ga。电极反应为GaO+3e-+2H2O=Ga+4OH-。

(5)以合成的三甲基镓为原料，与NH3发生一系列反应，得到GaN和另一种产物。根据原子守恒定律，可知也会产生甲烷。该过程的化学方程式为Ga(CH3)3+NH3=3CH4+GaN。

(6) 根据表中数据可知，Ga(OH)3 的溶度积常数为3.010-3(10-11)3=3.010-36，pH 值溶液=5.4，即氢氧根离子浓度。为10-8.6mol/L，故滤液1中残留Ga3+浓度=3.010-10.2mol·L-1。

3、以镁铝复合氧化物（）为载体的负载型镍铜双金属催化剂（）是一种新型高效加氢或脱氢催化剂。其制备过程如下：

已知：在室温下，回答以下问题：

（1）在加热条件下，尿素在水中发生水解反应，释放出两种气体，______和______（写出化学式）。

(2)“结晶”过程中需保持60恒温，可采用的加热方式为____________________。

(3)“洗涤”过程中，检查滤饼是否被洗涤的方法是____________________。

(4) 常温下，若处于“悬浮”状态，则溶液为__________________。

(5)“还原”过程中发生的反应的化学方程式为____________________。

(6)在强碱性溶液中氧化而得。该物质可用作碱性镍镉电池的正极材料。其电池反应式：

放电一段时间后，溶液的pH值将____________（填“增加”、“减少”或“不变”）。

充电时，阳极发生的电极反应式为_______________。

【答案】(1)NH3 CO2

(2)水浴加热

(3)将上次洗涤液少量放入试管中，向试管中加入稀盐酸，然后加入氯化钡。如果有白色沉淀，说明还没有洗干净。如果没有沉淀，说明已经洗过了。

(6)增加Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O

【分析】

将尿素加入到MgSO4、Al2(SO4)3、NiSO4 和CuSO4 的混合溶液中，在90下反应，形成Mg(OH)2、Al(OH)3、Cu(OH)2 和Ni 的悬浮液(OH)2。在60下纯化过滤，得滤饼，洗涤、干燥、焙烧得MgO、CuO、NiO、Al2O3，在550下用氢气还原。

【分析】

（1）根据题意，尿素[CO(NH2)2]在加热条件下与水发生水解反应，即CO(NH2)2H2O CO22NH3，从而释放出NH3和CO2两种气体；所以答案是：NH3；二氧化碳。

(2)“结晶”过程中，需要保持60恒温和100以下的温度，因此采用的加热方式为水浴加热；所以答案是：水浴加热。

(3)“洗涤”过程中，检查滤饼是否被洗涤，主要是检查洗涤液中是否仍含有硫酸盐。因此，常用的方法是取少量试管中最后的洗涤液，向试管中加入稀盐酸，然后加入氯化钡，如果有白色沉淀，则没有被洗涤。如果没有沉淀，说明已经洗过了。因此，答案是：取试管中最后一次洗涤液少量，向试管中加入稀盐酸，然后加入氯化钡。如果有白色沉淀，说明还没有洗干净。如果没有沉淀，说明已经被洗过。

(4) 常温下，若处于“悬浮”状态，则，则解为10；所以答案是：10。

(5)最终得到“还原”过程，说明NiO、CuO和氢气发生还原反应，因此反应的化学方程式为NiO+H2Ni+H2O、CuO+H2Cu+H2O；所以答案是：NiO+H2Ni+H2O，CuO+H2Cu+H2O。

(6) 放电一段时间后，负极反应式为Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2，正极为2NiOOH+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+ 2OH-，正极产生的OH-物质的量与负极消耗的OH-物质的量相等，但电解液中的水被消耗，使碱性变强，因此溶液的pH值会变大增加；所以答案为：增加。

根据放电时正极反应式NiOOH+e-+H2O=Ni(OH)2+OH-，充电时阳极发生的电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH +水；所以答案是：Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O。

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