盘点试题中常考的那些“陌生”金属元素

■河南省鄢陵县第一高级中学 冯存良

元素及其化合物是高考的重点考查内容,考查题型多是选择题或与其有关的工艺流程题及实验题。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。预计在2024年高考中,仍会结合社会热点,综合物质性质,以转化关系图或流程图的形式考查物质的转化,或与生产、生活、科技、医疗等联系起来考查知识的灵活应用。元素及其化合物的知识是题源,是高考重要的考查内容,掌握好元素及其化合物是拿取高分的关键。

一、钒

例1常温下,各种形态五价钒粒子总浓度的对数[lgc总(V)]与pH 关系如图1 所示。已知(VO2)2SO4是易溶于水的强电解质。下列说法正确的是( )。

图1

A.由图1 可知,在不同的酸碱性环境中,五价钒粒子存在形式有5种

C.lgc总(V)=-4,pH=3 时,五价钒粒子的存在形式主要为

D.(VO2)2SO4是易溶于水的强电解质,故很难发生水解

解析:图中所示pH 范围内,五价钒粒子存在形式有6 种,A 项错误。存在+2H2O+2H+,若是(VO2)2SO4饱和溶液,再加该固体,浓度不变,平衡不移动,c)不变,B 项正确。lgc总(V)=-4,pH=3时,分析图像可知,五价钒粒子的存在形式主要为,C 项错误。(VO2)2SO4是易溶于水的强电解质,能发生水解2H+,D 项错误。

答案:B

【高考加油站】1.钒:常温下不活泼,不与空气、水、苛性碱作用,也不与非氧化性的酸作用,但溶于氢氟酸,也溶于强氧化性的酸(如硝酸和王水)中。

2.五氧化二钒:两性氧化物,但以酸性为主,V2O5+6NaOH2Na3VO4+3H2O;1 800 ℃发生分解反应2V2O52V2O4+O2↑;微溶于水,可形成稳定的胶体,有较强的氧化性,如V2O5+6HCl2VOCl2+Cl2+3H2O。

4.钒酸盐:偏钒酸盐(NH4VO3)、正钒酸盐(Na3VO4)等在加热条件下不稳定,

二、铬

例2铬渣(主要成分为Cr2O3,同时含有少量Al2O3、SiO2等杂质)是铬电镀过程中产生的含铬污泥,实现其综合利用,可减少铬产生的环境污染。铬渣综合利用工艺流程如下。

已知:①焙烧产生一种无污染气体;

②PbCrO4难溶于水,易溶于无机强酸或强碱溶液。

下列判断正确的是( )。

A.焙烧过程中发生反应的化学方程式为 5Cr2O3+14NaOH+6NaNO310Na2CrO4+3N2↑+7H2O

B.为防止引入新杂质,可加入Cr2O3调节溶液pH

C.流程中易回收利用的物质有NaNO3、Pb(NO3)2

D.为防止洗涤时生成过多副产物PbCr2O7,洗涤液中应加入少量NaOH

解析:将铬渣干燥粉碎后高温焙烧,Cr2O3和NaOH、NaNO3反应,Cr2O3转化为Na2CrO4,Cr元素化合价升高,并且产生一种无污染气体,由此推断该气体为N2,故化学方程式为5Cr2O3+14NaOH+6NaNO310Na2CrO4+3N2↑+7H2O,SiO2转化为Na2SiO3,Al2O3转化为NaAlO2,溶液浸出过滤后得到含有NaOH、NaNO3、Na2SiO3、NaAlO2、Na2CrO4的溶液。向溶液中加入酸,可以将NaAlO2转化为Al(OH)3沉淀,Na2SiO3转化为H2SiO3,从而除去Al、Si,为不引入新杂质,加入的酸应为硝酸。过滤后加入硝酸铅,得到PbCrO4沉淀,过滤、洗涤、干燥后得到PbCrO4。

焙烧过程中发生反应的化学方程式为5Cr2O3+14NaOH+6NaNO310Na2CrO4+3N2↑+7H2O,A 项正确。调节溶液pH,是为除去Al、Si,应加入硝酸,B项错误。NaNO3、Pb(NO3)2均溶于水中不易分离,难回收,C 项错误。PbCrO4产品易溶于无机强碱溶液,故洗涤液时不能加入NaOH,D 项错误。

答案:A

【高考加油站】铬元素的常见价态有+6、+3、+2价。在酸性介质中,Cr2+具有强的还原性,Cr3+的还原性较弱,只有用强氧化剂才能将Cr3+氧化成Cr(Ⅵ),+6价铬在酸性条件下以存在,具有强氧化性,在碱性介质中以存在。

1.Cr(Ⅵ)最重要的化合物是K2Cr2O7,在水溶液中存在平衡(黄色)(橙红色)+H2O。在酸性溶液中具有强氧化性,如可以氧化浓盐酸,生成氯气6Cl-+14H+2Cr3++3Cl2↑+7H2O。

2.Cr(Ⅲ)在酸性条件下以Cr3+存在,碱性条件下以Cr(OH)3、[Cr(OH)4]-(或存在。

三、锰

例3以废旧锌锰电池中的黑锰粉[含MnO2、MnO(OH)、NH4Cl、ZnCl2、Fe2O3及炭黑等]为原料制备MnCl2,实现锰的再利用,其工艺流程如下。下列说法不正确的是( )。

A.步骤①分离出NH4Cl、ZnCl2的试剂和操作为:水、过滤

C.步骤③若先加H2O2,后加H2SO4,可提高H2O2的利用率

D.步骤④所得MnCl2溶液中含有少量CaSO4杂质

解析:步骤①将黑锰粉分离为溶液和MnO2粗品,可知步骤①为水洗、过滤分离出NH4Cl溶液、ZnCl2溶液和MnO2粗品,A 项正确。经步骤①分离所得的MnO2粗品中含有MnO2、MnO(OH)、Fe2O3及炭黑等,步骤②是将 MnO2粗品在空气中加热,可知MnO(OH)、炭黑(主要成分为C 单质)被O2氧化,其中C被氧化为CO2,MnO(OH)被氧化为MnO2,B 项正确。步骤③中先加入双氧水,MnO2会催化分解H2O2,使其利用率降低,C项错误。步骤④是向MnSO4溶液中加入CaCl2,二者反应生成MnCl2和微溶于水的CaSO4,所以MnCl2溶液中含有少量的CaSO4,D 项正确。

答案:C

【高考加油站】锰元素的常见价态有+7、+6、+4、+3、+2 价,Mn2+在酸性溶液中的稳定性强于在碱性溶液中的稳定性。

3.KMnO4的性质。

热稳定性差,通常保存在棕色试剂瓶中:4KMnO4+2H2O光照4MnO2↓+3O2↑+4KOH。

四、钴和镍

例4在实验室中以含镍废料(主要成分为NiO,含少量FeO、Fe2O3、CoO、BaO 和SiO2)为原料制备NixOy和CoCO3的工艺流程如下。

下列说法不正确的是( )。

A.“滤渣Ⅰ”中含BaSO4和SiO2

B.该过程中包含2次过滤操作

C.“沉钴”过程发生的反应为Co2++CoCO3↓+CO2↑+H2O

D.“沉钴”时,若c(Co2+)=0.02 mol·L-1,为了防止沉钴时生成Co(OH)2,常温下应控制溶液pH＜7.5(已知Ksp[Co(OH)2]=2×10-15)

解析:由流程可知,含镍废料(主要成分为NiO,含少量FeO、Fe2O3、CoO、BaO 和SiO2)中加入稀硫酸酸浸,过滤分离出的滤渣Ⅰ为SiO2、BaSO4,滤液中含有 NiSO4、FeSO4、Fe2(SO4)3、CoSO4,加入氧化剂H2O2氧化FeSO4,加入Na2CO3调节pH 使Fe2(SO4)3转化为Fe(OH)3沉淀过滤除去,再加入有机萃取剂,振荡、静置、分液得到含NiSO4的有机层和含有CoSO4的水层溶液,向含有CoSO4的溶液中加入碳酸氢钠,使Co2+转化为CoCO3沉淀,过滤、洗涤、干燥得到CoCO3;在含NiSO4的有机层反萃取得到NiSO4溶液,经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到NiSO4·6H2O 晶体,煅烧生成NixOy,以此来解答。结合分析可知,“滤渣Ⅰ”的主要成分是SiO2、BaSO4,A 项正确。根据分析可知,该过程中包含4次过滤操作,B项错误。在含有CoSO4的溶液中加入碳酸氢钠,使Co2+转化为CoCO3沉淀,离子方程式为项正确。恰好生成Co(OH)2时的c(OH-)=10-6.5mol·L-1,常温下即pH=7.5,则为了防止沉钴时生成Co(OH)2,常温下应控制溶液pH＜7.5,D项正确。

答案:B

【高考加油站】钴、镍都是中等活泼的金属元素,化合物性质(见表1)比较接近,但也存在差异,这与它们的电子层结构有关。

表1

五、镓和铟

例5废旧太阳能电池CIGS具有较高的回收利用价值,其主要组成为CuIn0.5Ga0.5Se2。某探究小组回收处理流程如下所示。

回答下列问题:

(1)硒(Se)与硫为同族元素,Se的最外层电子数为_____;镓(Ga)和铟(In)位于元素周期表第ⅢA 族,CuIn0.5Ga0.5Se2中Cu的化合价为____。

(2)25 ℃时,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。当金属阳离子浓度小于1.0×10-5mol·L-1时视为沉淀完全,则In3+恰好完全沉淀时溶液的pH 为_____(保留1位小数);若继续加入6.0 mol·L-1氨水至过量,观察到的实验现象是先有蓝色沉淀,然后____;为探究Ga(OH)3在氨水中能否溶解,计算反应Ga(OH)3(s)+NH3·H2O的平衡常数K=____(保留2 位有效数字,已知:

(3)“滤渣”与SOCl2混合前需要洗涤、干燥,检验滤渣中是否洗净的试剂是____;“回流、过滤”中SOCl2的主要作用是____。

(4)“高温气相沉积”过程中发生反应的化学方程式为_____。

解析:CuIn0.5Ga0.5Se2在空气中高温焙烧,反应生成Ga2O3、In2O3、Cu2O、SeO2,加硫酸酸浸,用过氧化氢把Cu+氧化为Cu2+,加氨水调节pH 生成[Cu(NH3)4]2+、Ga(OH)3、In(OH)3,滤渣加SOCl2“回流过滤”,得滤渣InCl3和GaCl3溶液,浓缩结晶得GaCl3,“高温气相沉积”过程中GaCl3与NH3反应生成GaN。

(1)硫为第ⅥA 族元素,硒(Se)与硫为同族元素,故Se的最外层电子数为6,镓(Ga)和铟(In)位于元素周期表第ⅢA 族,最高价是+3,根据化合价代数和等于 0,CuIn0.5Ga0.5Se2中Cu的化合价为+1。

(3)向滤渣中加入HCl溶液和BaCl2溶液,若有白色沉淀生成,说明滤渣中未洗净,反之,则已洗涤干净;“回流、过滤”中SOCl2,的主要作用是将Ga(OH)3、In(OH)3转化为GaCl3、InCl3。

(4)“高温气相沉积”过程中GaCl3与NH3反应生成GaN 和HCl,反应的化学反应方程式为

答案:(1)6 +1

(2)4.7 蓝色沉淀溶解,溶液变成深蓝色 2.0×10-6

(3)HCl溶液、BaCl2溶液 将Ga(OH)3、In(OH)3转化为GaCl3、InCl3

【高考加油站】1.单质。

(1)Ga 熔点29.78 ℃,在手中融化,但Ga的沸点为2 403 ℃,是液相存在的温度范围最大的金属单质,常用于制造高温下使用的温度计。

(2)常温下,镓与铟表面存在氧化层,导致其化学性质不活泼。Ga与Al类似,具有两性,金属性弱于Al,既可以与酸反应,也可以与碱反应

(3)常温下,镓与铟可以和氯气、溴反应;高温下,都可以与O2、S、P、As等非金属直接化合。

2.氧化物和氢氧化物。

(1)Ga2O3和Ga(OH)3两性偏酸性:

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几乎无两性表现,In2O3溶于酸,但不溶于碱。

(3)Ga(OH)3、In(OH)3微热时脱水,生成氧化物表示Ga或In)。

3.镓与铟的制备。

(1)因为镓常与铝、锌、锗等金属混在一起,所以可在提取出这些金属之后的废料中提取。例如,由铝矾土矿制备Al2O3的工艺流程中,铝酸盐溶液经CO2酸化后分离出Al(OH)3沉淀的母液富集了镓。将母液再次经CO2酸化后便可得到富集的Ga(OH)3,使之溶于碱再进行电解即可得到单质镓:+3e-Ga+4OH-。

(3)铟的制备方法是将提取过的闪锌矿残渣用硫酸浸取,酸浸取液经中和后投入锌片,铟就沉积在锌片上,用极稀的硫酸溶去锌,将不溶杂质溶于硝酸,再加入BaCO3,便沉淀出氧化铟,在高温下用氢气还原制得金属铟。