既熟悉又陌生的金属元素——以金属元素为背景的试题解题策略初探

吉林 赵鑫光 杨竞翔

在高考化学试卷中的非选择题的物质结构部分，经常以高中教材以外的金属元素作为命题背景，这体现了不同知识点的横向联系和高考命题的综合性。以这些学生不太熟悉的金属单质及其化合物为载体，综合考查化合物的制备与检验、化学基本概念、化学反应原理、物质结构与性质等方面的内容。本文选择几种典型的非主族金属元素加以介绍。并配例题、解析，以期能使学生通过练习掌握该类试题的解题策略。

1.钛及其化合物

【典例1】钛及其化合物在现代工业生产及人们的日常生活中有着重要的用途。工业上用钛铁矿石(主要成分为FeTiO3，含SiO2、FeO及Al2O3等杂质)经如图所示工艺流程制备二氧化钛：

(1)净化钛铁矿石时，________(填“需要”或“不需要”)除去杂质FeO。

(2)净化钛铁矿石时，需用浓氢氧化钠溶液处理，写出该过程可能发生的离子方程式:_______________________________________。

(3)步骤③发生反应的化学方程式为_______________________________________。

(4)步骤④⑤⑥的目的是_______________________________________。

(5)步骤⑦中发生反应的离子方程式为_______________________________________。

(6)电解TiO2可制得金属钛，同时产生氧气，若使用熔融ZrO2/Y2O3作电解质，TiO2为阴极，石墨为阳极，则阴极发生的反应为_______________________，阳极的石墨需要定期补充，其原因是_______________________________________。

2.钒及其化合物

【典例2】以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生成硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分如下表：

物质V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3质量分数/%2.2～2.92.8～3.122～2860～651～2<1

以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：

回答下列问题：

(5)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：_______________________________________。

3.铬及其化合物

(1)第①步反应的离子方程式是_______________________________________。

(2)第②步中用pH试纸测定溶液pH的操作是______________________________________。

(3)第②步过滤得到的滤渣中主要成分除Cr(OH)3外,还有________。

4.锰及其化合物

【典例4】化学为人类造福既要有效去除污染物同时又要充分利用资源，某兴趣小组利用软锰矿(主要成分为MnO2，还含有少量Fe、Al、Cu、Ni等金属的化合物)作煤燃烧尾气中的脱硫剂，同时生产MnO2作为电池材料，其工艺流程示意图如下图所示：

请回答下列问题：

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

(2)己知：25℃、101 kPa时，

SO2与MnO2反应生成MnSO4的热化学方程式是_______________________________________。

(3)MnO2可用作超级电容器材料。用惰性电极电解MnSO4溶液时在________极可产生MnO2，其电极反应式为_______________________________________。

(4)MnO2是碱性锌锰电池的正极材料。已知放电时正极区域的碱性增强，每消耗1 mol MnO2时转移1 mol电子，试写出相应的电极反应方程式：_______________________________________。

(5)假设脱除的SO2只与软锰矿浆中的MnO2反应。按照图示流程，将am3(标准状况)含SO2的体积分数为b%的尾气通入矿浆，将SO2的脱除率为89.6%，最终得到MnO2的质量为ckg，则除去铁、铝、铜、镍等杂质时，所引入的锰元素相当于MnO2________kg。

5.钴、镍及其化合物

(1)单质钴和单质镍常温时在空气中能稳定存在，加热条件下可生成CoO和NiO。

(2)CoO和NiO均不溶于水，可溶于酸，CoO还可溶于强碱，但不溶于氨水，而NiO可溶于氨水。

(5)CoCl2呈蓝色，CoCl2·6H2O呈粉红色，常用作变色硅胶中的添加剂来指示硅胶的吸水能力。

【典例5】现欲从某含镍废催化剂中回收镍并制得 NiSO4·7H2O 晶体，已知该废催化剂中主要含金属镍，还含有铝、铁、三氧化二铝及不溶于酸也不溶于碱的惰性杂质。其工艺流程示意图如下所示：

部分金属离子完全沉淀时溶液的pH如下表所示：

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

(1)用碱液“浸取”的是为了除去含镍废催化剂中的________________________(写化学式)。

(2)用酸液“浸取”时使用的酸是________。过滤后，滤液②中可能含有的金属离子是________(写离子符号)。

(3)加入H2O2时，发生反应的离子方程式为_______________________________________。

(4)调节pH=2～3是为了_______________________________________。

(5)操作①主要进行的操作步骤及操作顺序是_______________________________________。

(6)在强碱溶液中用NaClO氧化NiSO4，可制得碱性镍镉电池电极材料NiOOH。该反应的离子方程式为_______________________________________。

6.铜、银及其化合物

(4)CuCl、CuI等亚铜盐均为白色难溶于水的固体。

(7)[Ag(NH3)2]OH具有一定的氧化性，与含有醛基的物质在一定条件下可以发生银镜反应。

【典例6】银是一种化学性质不活泼的贵金属，常用作金属货币和首饰，近年来在化学电源和照明器具等方面也有广泛应用，试回答下列问题：

(1)佩戴久了的银饰品表面会逐渐失去银白色的金属光泽，变暗变黑，试用化学方程式解释原因:_______________________________________。

(2)向500 mL 0.18 mol/L的AgNO3溶液中加入500 mL 0.20 mol/L的盐酸，混合后的溶液中Ag+浓度为________mol/L；溶液的pH为________。

(3)硝酸银溶液必须避光保存，在光照的条件下会分解生成单质银和红棕色气体，试写出所发生的化学反应方程式：_______________________________________。

(4)写出如图所示的原电池装置中正极发生的电极反应：________，若起始时，银电极和铜电极的质量相等，反应开始后当两电极质量差为2.80 g时电路中转移的电子的物质的量为________。

7.锌及其化合物

【典例7】制造锌钡白的主要原料之一是硫酸锌，如图是利用ZnO(含有少量FeO、CdO、PbO杂质)制备硫酸锌的工艺流程示意图：

已知：H2O2是一种弱酸，常温下其水溶液的pH≈5，Fe3+完全沉淀时的pH≈3。

试回答下列问题：

(1)为了提高浸取的速率，除了适当增大硫酸的浓度外还可以采取哪些措施？________________________________________________________________________(写出两条即可)。

(2)“净化1”后的滤渣B主要成分为________，能够除去Cd、Pb的原因是_______________________________________。

(3)“净化2”中需要加入过氧化氢，其电子式为________，滤渣C的主要成分是________，该过程发生反应的离子方程式为_______________________________________。

(4)在明代宋应星所著的《天工开物》一书中，有关于“升炼倭铅”的记载：“炉甘石十斤，装载入一泥罐内……然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红……冷淀，毁罐取出……即倭铅也。”试写出该过程中主要发生的化学反应方程式：____________________。(注：炉甘石的主要成分是碳酸锌，倭铅即金属锌)