專項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)－實驗綜合題專項復(fù)習(xí)系列專項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的如磷酸、銨鹽、苯等七種的氫離子或者羥基被一些長鏈烷基給取代。金屬與這些萃取劑結(jié)合，就會變成金屬有機(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)過反復(fù)多次萃取，將絕大部分的化合物提取出來。無機(jī)離子一般易溶于水相，有機(jī)物易溶于有機(jī)相。比如說，氯離子，鈣離子等都易溶于水，脂類易溶于丙酮或者醚類（乙醚石油醚）。有機(jī)相溶于醇類，但醇類中含有氫鍵有易溶于水。溶劑萃取是基于有機(jī)溶劑對不同的金屬離子具有不同的溶解因而對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，由于金屬離子在兩相中的溶解度不同而重新分配，從而實現(xiàn)一種金屬在有機(jī)相中的富集并與其他雜質(zhì)分離?，F(xiàn)以一種名為N-510的萃取劑對含銅溶液的萃取為例，來說明萃取的機(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，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”時金屬離子濃度)：沉淀恰好完全沉淀時的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，溶液的體積變化忽略)。（3）萃取、反萃取：向除雜后的溶液中，加入某有機(jī)酸萃取劑(HA)2，發(fā)生反應(yīng)：。實驗測得：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)溫度對反應(yīng)產(chǎn)物的影響如圖-2所示，請寫出500～1000℃時，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?；卮鹣铝袉栴}：（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__________________(任寫兩條)。（2）“酸浸”過程中LiCoO2發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_________________________。在“酸浸”過程中所用H2O2遠(yuǎn)高于理論用量，造成這一結(jié)果的原因為________________________________。（3）“萃取”和“反萃取”可簡單表示為，則反萃取過程中加入的試劑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)通過列式計算說明原因：___________。已知：25℃時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?；卮鹣铝袉栴}：（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__________________________________________。（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”過程中濾渣II被Na2S2O3溶液溶解，發(fā)生反應(yīng)的平衡常數(shù)為_____________________。（5）“還原”過程中S2O沒有參與氧化還原過程，“濾液IV”中還主要含有Na2SO3?！斑€原”過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_____________________。（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NiSO4·6H2O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+開始沉淀時的pH6.84.12.27.57.29.4沉淀完全時的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)?；卮鹣铝袉栴}：（1）濾渣I的主要成分為_________________________(填化學(xué)式)。（2）調(diào)pH的目的為沉鐵和沉鋁。沉鐵時發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的離子方程式為_________________________。如何判斷NaClO已足量：_________________________(寫出具體操作過程)。（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，除鈣率為_________________________(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，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，選擇pH為_________________左右。（5）試劑X為________________________。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℃以上會分解生成NH3和H2SO4②NiFe2O4在焙燒過程中生成NiSO4、Fe2(SO4)3回答下列問題：（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，(NH4)2SO4與NiFe2O4反應(yīng)的化學(xué)方程式________________________________。（3）浸泡過程中；Fe2(SO4)3生成FeO(OH)的離子方程式為________________________________。（4）“浸取液”中c(Ca2+)=1.0×10-3mol·L-1，當(dāng)除鈣率達(dá)到99%時，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過高，鐵電極區(qū)會產(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_________________________。②電解時離子交換膜(b)為__________________(填“陰”或“陽”)離子交換膜。（6）溶劑萃取可用于對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)對溶液中Ni2+、Fe2+的萃取率影響如圖所示，V0/VA的最佳取值為___________。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,可通過下列實驗方法回收鈷、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回答下列問題:（1）LiCoO2中，Co

元素的化合價為_______________，濾液I的主要成分是__________________。（2）已知:

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

Co(HA2)2+2H+則反萃取過程加入的試劑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__________。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，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______________________________________；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.浸取時間縮短一半d.控制浸取終點pH＞3（2）“萃取”時，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，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，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____________________________________________；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/℃

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

實驗步驟：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。③打開裝置A、B間活塞，通入H2一段時間。④點燃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)整好溫度計的位置，繼續(xù)加熱，收集182～186℃餾分，得到較純苯胺。回答下列問題：（1）步驟⑥中溫度計水銀球的位置在____________________________。（2）下列關(guān)于實驗的敘述中，錯誤的是____________________________。A．冷凝管的冷水應(yīng)該從b進(jìn)從a出B．實驗開始酎，溫度計水銀球應(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）若實驗中步驟③和④的順序顛倒，則實驗中可能產(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——反萃取法簡稱反萃。實驗中反萃的作用是______________________；在分液漏斗中進(jìn)行萃取分液時，應(yīng)注意不時放氣，其目的是____________________________________________。（6）苯胺還原性強(qiáng)，易被氧化，請配平下列化學(xué)方程式的化學(xué)計量數(shù)。9．CoCl2·6H2O是一種飼料營養(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浸出液中含有的陽離子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Al3+等；②CoCl2·6H2O熔點為86℃，加熱至110～120℃時，失去結(jié)晶水生成無水氯化鈷。③部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時溶液的pH見下表：（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)處理時加入Na2SO3，其主要作用是(用化學(xué)方程式說明)。（2）寫出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”中加了過量的NaClO3，可能會生成有毒氣體，寫出生成該有毒氣體的離子方程式。（3）“系列操作”中包含3個基本實驗操作依次是、和過濾。（4）Na2CO3調(diào)萃取液中含有的主要金屬陽離子是。（5）為尋找合適的萃取劑，發(fā)現(xiàn)某種萃取劑對部分離子的萃取率與溶液pH的關(guān)系如下圖所示。請寫出有關(guān)萃取規(guī)律，并說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，實驗室常用萃取劑X(甲基異丁基甲酮)萃取法制取高純鐵紅的主要實驗步驟如下：已知：HCl(濃)+FeCl3HFeCl4試回答下列問題：（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若實驗時共用萃取劑X120mL，萃取率最高的方法是