微专题17 金属及其化合物制备流程（Pb）-备战2022年高考化学考点微专题（解析版）

微专题17金属及其化合物制备流程（Pb）一、物质概况：铅为化学元素，其化学符号是Pb(拉丁文Plumbum;英文lead)，原子序数为82，是原子量最大的非放射性元素。铅是柔软和延展性强的弱金属，有毒，也是重金属。铅原本的颜色为青白色，在空气中表面很快被一层暗灰色的氧化物覆盖。可用于建筑、铅酸蓄电池、弹头、炮弹、焊接物料、钓鱼用具、渔业用具、防辐射物料、奖杯和部份合金，例如电子焊接用的铅锡合金。铅是一种金属元素，可用作耐硫酸腐蚀、防电离辐射、蓄电池等的材料。其合金可作铅字、轴承、电缆包皮等之用，还可做体育运动器材铅球。二、物理性质：铅是银白色的金属(与锡比较，铅略带一点浅蓝色)，十分柔软，用指甲便能在它的表面划出痕迹。用铅在纸上一划，会留下一条黑道道。在古代，人们曾用铅作笔。"铅笔"这名字，便是从这儿来的。铅很重，一立方米的铅重达11.3吨，古代欧洲的炼金家们便用旋转迟缓的土星来表示它，写作"h"。铅球那么沉，便是用铅做的。子弹的弹头也常灌有铅，因为如果太轻，在前进时受风力影响会改变方向。铅的熔点也很低，为327℃，放在煤球炉里，也会熔化成铅水。三、化学性质：铅很容易生锈--氧化。铅经常是呈灰色的，就是由于它在空气中，很易被空气中的氧气氧化成灰黑色的氧化铅，使它的银白色的光泽渐渐变得暗淡无光。不过，这层氧化铅形成一层致密的薄膜，防止内部的铅进一步被氧化。也正因为这样，再加上铅的化学性质又比较稳定，因此铅不易被腐蚀。在化工厂里，常用铅来制造管道和反应罐。著名的制造硫酸的铅室法，便是因为在铅制的反应器中进行化学反应而得名的.工业制备第一种:火法炼铅目前世界上炼铅以火法炼铅为主，火法炼铅一般包括原料准备(配料、制粒、烧结焙烧)、还原熔炼制取粗铅和粗铅精炼三大工序。烟气制酸、烟尘综合回收以及从阳极泥回收金银等贵金属也是火法炼铅工艺的重要组成部分。 铅精烧结焙烧有两个目的:一是将原料中的硫氧化除去，并以SO2形式送去制硫酸;二是使部分伴生金属氧化并与SiO2等脉石成分生成MeO.SiO2低熔点液相，使细粉状铅精矿粘结成多孔硬块，以利还原熔炼。(1)备料进入烧结工序的物料包括铅精矿、石英熔剂、烧结返料，三者的配比为30:10:60。铅精矿一般含有(%):Pb50-60、Zn4-6、Cu0.2、S15-25、Fe14、SiO21-2。此外，还伴生有Ag、Bi、Cd、In等有价金属。配好的物料，经过混合和制粒，用布料机均匀地平铺在烧结机上进行烧结焙烧。(2)烧结现代烧结作业均采用带式烧结机，面积为60-70m3。工作时，铺满炉料的烧结机在传动机械带动下向前移动，经过点火装置处炉料被火焰点燃，并在强制通过料层吸入(或鼓出)的大量窑中氧的作用下，料层温度迅速上升到1073-1173K，炉料中发生了一系列的烧结反应。炉料中主要铅矿物PbS与O2反应生成PbO和SO2:3PbS+5O2====2PbO+PbSO4+2SO23PbSO4+PbS====4PbO+4SO2还有少量金属铅生成:PbS+PbSO4====2Pb+2SO2在炉料中含量较高的黄铁矿(FeS2)发生分解并进一步氧化成FeO,Fe2O3和SO2，进而与SiO2,PbO化合，生成为硅酸盐(2FeO.SiO2、xPbO.SiO2)和亚铁酸盐(xPbO.yFe2O3)。影响烧结焙烧效果的因素有:①炉料配比与化学成分;②炉料水分;③炉料粒度;④料层厚度;⑤点火温度;⑥小车运行速度;⑦吸风风量与鼓风压力、风量;⑧烟气SO2浓度等。第二种:电解精炼电解精炼。用硅氟酸和硅氟酸铅做电解液，粗铅做阳极，纯铅做阴极，可得纯铅。耐腐蚀，可用作水管。铅、锑、锡的合金熔点低(约240℃)，凝固时膨胀，可作印刷铅字。铅玻璃用作X射线防护屏。大量铅用于生产汽油抗爆剂四乙铅和蓄电池的极板。铅电解精炼现在一般采用是1901年的柏兹所提出的，将粗铅或经过火法初步精炼的半精炼铅，在硅氟酸与硅氟酸铅的水溶液中进行电解的过程。其目的是为了获得高品位的铅并回收銤及稀贵金属。 *最后附铅的各种化合物【专题精练】1．铅精矿的主要成分为PbS，现用下列两种方法从铅精矿中冶炼金属铅。I.火法炼铅将铅精矿在空气中焙烧，生成PbO和SO2。(1)用铅精矿火法炼铅的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_________。(2)火法炼铅的废气中含低浓度SO2，可将废气通入过量氨水中进行处理，反应的离子方程式为：__________。II.湿法炼铅在制备金属铅的同时，还可制得硫磺，相对于火法炼铅更为环保。湿法炼铅的工艺流程如下：已知：PbCl2在水中溶解度小，在Cl－浓度较大的溶液中，存在平衡：PbCl2(s)+2Cl－(aq)⇌PbCl42－(aq)∆H＞0 (3)浸取铅精矿时发生反应的离子方程式是________。(4)由滤液1中析出PbCl2的操作a是_______。(5)将溶液3和滤液2分别置于如图所示电解装置的两个极室中，可制取金属铅并使浸取液中的FeCl3再生。①溶液3应置于______(填“阴极室”或“阳极室”)中。②简述滤液2电解后再生为FeCl3的可能原理：_________③若铅精矿的质量为ag，铅浸出率为b，当电解池中通过cmol电子时，金属铅全部析出，铅精矿中PbS的质量分数的计算式为____________【答案】(1)3:2(2)SO2+2NH3.H2O=SO32－+2NH4++H2O(3)PbS+2Fe3++4Cl－=PbCl42－+2Fe2++S↓(4)降低温度，加水稀释(5)①阴极室②阳极室中Fe2+－2e－=Fe3+，阴极室的Cl－定向移动到阳极室，实现FeCl3的再生③【分析】(1)硫化铅在空气中焙烧生成PbO和SO2，书写氧化还原反应方程式，然后进行分析；(2)SO2为酸性气体，氨水显碱性，反应生成(NH4)2SO3；(3)根据流程，PbS中S转化成S单质，利用了Fe3＋的氧化性，根据信息，书写出离子方程式；(4)PbCl2在水中溶解度小，在Cl－浓度较大的溶液中，存在：PbCl2(s)+2Cl－(aq)⇌PbCl42－(aq)∆H＞0，获得PbCl2，让平衡向逆反应方向进行；(5)①根据流程获得Pb，Pb元素的化合价降低，根据电解原理，应将溶液3置于阴极室；②根据流程，滤液2中含有Fe2＋，获得FeCl3，化合价升高，需要将滤液2放入阳极室；③根据Pb元素守恒进行分析和计算； 【解析】(1)反应方程式为2PbS+3O2=2PbO+2SO2，S元素的化合价升高，Pb元素的化合价不变，即PbS为还原剂，氧气为氧化剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为3:2；答案：3：2；(2)由于氨水过量，反应生成正盐，离子方程式为：SO2+2NH3.H2O=SO32－+2NH4++H2O；答案：SO2+2NH3.H2O=SO32－+2NH4++H2O；(3)根据流程，滤渣1中含有硫单质，说明PbS中的S元素转化成S单质，化合价升高，Fe3＋作氧化剂，根据信息，Pb元素以PbCl42－，因此浸取发生离子方程式为PbS+2Fe3++4Cl－=PbCl42－+2Fe2++S↓；答案：PbS+2Fe3++4Cl－=PbCl42－+2Fe2++S↓；(4)滤液1中铅元素存在的形式为PbCl42－，由于PbCl2(s)+2Cl－(aq)PbCl42－(aq)∆H＞0，降低温度和加水稀释有利于平衡逆向移动；答案为降低温度，加水稀释；(5)①溶液3和滤液2中的溶质分别含有PbCl42－和FeCl2，电解中要实现FeCl2转变为FeCl3，发生氧化反应，故滤液2处于阳极室，PbCl42－转变为Pb，发生还原反应，溶液3处于阴极室；答案：阴极室；②根据①分析，获得FeCl3再生，阳极室中Fe2+－2e－=Fe3+，阴极室的Cl－定向移动到阳极室，实现FeCl3的再生；答案：阳极室中Fe2+－2e－=Fe3+，阴极室的Cl－定向移动到阳极室，实现FeCl3的再生；③设铅精矿中PbS的质量分数为x，PbCl42－获得2mole－生成Pb，电解池中通cmol电子时，获得n(Pb)=mol，根据铅元素守恒，得出=mol，计算出PbS的质量分数为；答案：。2．工业上，利用冶铅废料(含有Pb、PbO、PbS、PbCO3、Pb(OH)2 、C以及Fe及其氧化物等)制取立德粉(ZnS·BaSO4)和再提取铅的工艺流程如下：已知：①醋酸铅易溶于水，难电离。②常温下，Ksp(PbSO4)=1.6×10－8；Ksp(PbCO3)=8.0×10－14。回答下列问题：(1)为了加快①的反应速率，通常选用6mol/L的硝酸和60℃的反应条件，若温度继续升高，反而不利于反应的进行，原因可能是___________。(2)步骤④若在实验室进行分离操作必需的玻璃仪器有___________，滤渣1的主要成分是硫酸铅，洗涤硫酸铅最好选用___________。A．蒸馏水B．苯C．稀硫酸D．饱和碳酸钠(3)写出步骤③反应的离子方程式___________。(4)采用电解法精炼铅，海绵铅连接电源的___________极(填正、负)，生成铅的电极反应式为___________。(5)处理含铅废料1t(含铅以PbO计，质量分数为11.15%)，若回收率为90%，则得到的铅质量___________g。【答案】(1)温度过高，硝酸易分解(2)漏斗、烧杯、玻璃棒C(3)PbSO4＋2CH3COO－=(CH3COO)2Pb＋SO42－(4)正极Pb2＋＋2e－=Pb(5)9.315×104【分析】（1）通常选用6mol/L的硝酸和60℃的反应条件，温度过高，硝酸易分解。（2）步骤④反应后的分离操作是过滤，选漏斗、烧杯、玻璃棒；洗涤硫酸铅要洗去表面吸附的杂质，还要减少损失，最好选用稀硫酸。（3）步骤③反应的离子方程式PbSO4和CH3COO－ 作用生成易溶于水、难电离的(CH3COO)2Pb。（4）采用电解法精炼铅，海绵铅连接电源的正极，铅元素化合价升高；生成铅的电极反应式：Pb2＋＋2e－=Pb（5）根据铅守恒计算。【解析】（1）硝酸受热易分解，故温度不能太高；（2）步骤④反应后的分离操作为过滤，过滤所需的玻璃仪器有：烧杯、漏斗和玻璃棒；洗涤硫酸铅要洗去表面吸附的杂质，还要减少损失，故A．会造成硫酸铅部分溶解；B.可溶性离子不能溶解，不能洗去；C．稀硫酸能够洗去杂质，同时可减少硫酸铅的溶解；D．依题意，硫酸铅易转化为碳酸铅，引入杂质。故选C；（3）依题意醋酸铅易溶于水、难电离，故反应的离子方程式为PbSO4＋2CH3COO－=(CH3COO)2Pb＋SO42－。（4）采用电解法精炼铅，海绵铅连接电源的正极，铅元素化合价升高；生成铅的电极反应式：Pb2＋＋2e－=Pb。（5）根据铅元素守恒可得为=9.315×104g。3．铅及其化合物用途广泛，三盐基硫酸铅（3PbO·PbSO4·H2O，摩尔质量=990g/mol）简称三盐。以铅泥（主要成分为PbO、Pb及PbSO4等）为原料制备三盐的工艺流程如图所示。已知：。请回答下列问题：(1)步骤①中涉及的主要反应的平衡常数K=____（列出计算式即可）。步骤②中滤渣的主要成分是____。 (2)步骤③酸溶时，为提高酸溶速率，可采取的措施是____（任答一条）。(3)步骤⑥合成三盐的化学方程式为____。现用100t铅泥可制得纯净干燥的三盐49.5t，若铅元素的利用率为75%，则铅泥中铅元素的质量分数为___%。简述步骤⑦检验沉淀洗涤完全的方法___。(4)已知水中铅的存在形态主要有Pb2+、Pb(OH)+、Pb(OH)2、Pb(OH)3-、Pb(OH)42-，其中Pb(OH)2是沉淀，各形态铅的物质的量的分数α随溶液pH变化的关系如图所示，除去污水中的铅，最好控制溶液的pH在____左右，当溶液的pH由13转化为14时发生反应的离子方程式是：________________(5)将PbO粗品溶解在HCl和NaCl的混合溶液中，得到含Na2PbCl4的电解液，进一步电解Na2PbCl4生成Pb，如图所示。阴极电极反应式是_________【答案】(1)Pb、PbO、PbCO3(2)适当升温(3)4PbSO4+6NaOH3Na2SO4+3PbO·PbSO4·H2O+H2O55.2取少量最后一次洗涤液，滴加氯化钡溶液，若没有沉淀则说明洗涤完全。(4)10(5)Pb(OH)3-+OH-=Pb(OH)42-PbCl42-+2e-=Pb+4Cl-【分析】步骤①发生中发生PbSO4＋CO32－PbCO3＋SO42－，将PbSO4转化成PbCO3 ，过滤，得到滤渣为PbO、Pb、PbCO3，在滤渣加入硝酸，PbO、Pb、PbCO3与硝酸发生反应生成Pb(NO3)2，然后加硫酸发生Pb(NO3)2＋H2SO4=PbSO4↓＋2HNO3，HNO3再转移到酸溶中，过滤后，向沉淀中加入NaOH溶液加热，得到三盐；【解析】(1)PbSO4的Ksp大于PbCO3的Ksp，因此步骤“转化”中发生PbSO4＋CO32－PbCO3＋SO42－，平衡常数的表达式为Ksp==；PbO、Pb不与Na2CO3发生反应，步骤②中滤渣的主要成分为PbO、Pb、PbCO3；(2)提高酸溶的速率，可以采取适当升温、适当增大硝酸浓度、搅拌、粉碎固体等；(3)“沉铅”将Pb2＋转化成PbSO4，“合成”步骤中的反应物是PbSO4、NaOH，其反应方程式为PbSO4＋NaOH→3PbO·PbSO4·H2O＋Na2SO4+H2O，该反应属于非氧化还原反应，采用原子守恒进行配平，4PbSO4+6NaOH3Na2SO4+3PbO·PbSO4·H2O+H2O；令铅泥中铅元素的质量分数为a%，根据题意得出：，解得a=55.2；根据“合成”的反应方程式，三盐表面沾有Na2SO4，检验沉淀洗涤完全，需要检验SO42－不存在，操作是取最后一次洗涤液，滴加BaCl2溶液，若没有沉淀则说明洗涤完全；(4)除去污水中的铅，铅元素需要以Pb(OH)2形式沉淀出来，根据图像pH控制在10左右；根据图像pH由13→14，Pb(OH)3－→Pb(OH)42－，发生反应的离子方程式为Pb(OH)3－+OH－=Pb(OH)42－；(4)根据装置图，PbCl42－在阴极区参与反应，其电极反应式为PbCl42－＋2e－=Pb＋4Cl－。4．我国是世界铅生产和铅消费大国，铅被作为工业原料广泛应用于工业生产中，会以废气、废水、废渣比等各种形式排放于环境中，造成大面积污染，如何有效解决铅污染问题是我国当前面临的重要任务。 I.以方铅矿(PbS)为原料制备铅的相关化合物的工艺流程如图所示：(1)“焙烧”时，提高反应速率的措施有_______(写一条)。(2)写出“高温还原”的主要化学方程式_______。(3)“粗铅”中含有的杂质有锌、铁、铜、银，电解精炼后溶液中的金属阳离子有_______。(4)制备销酸铅时需要加热，但温度不宜过高，原因是_______。II.含铅废水处理化学沉淀法是除去酸性废水中Pb2+的主要方法，根据其原理不同可以分为：氢氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、磷酸盐沉淀法、铁氧体沉淀法等。水样中各形态铅的百分含量x与溶液pH变化的关系如图所示。向含Pb2+的溶液中逐滴滴加NaOH，溶液变浑浊，继续滴加NaOH溶液又变澄清。(5)若采用氢氧化物沉淀法除溶液中的Pb2+，应将溶液的pH调至约为_______。pH≥13时，溶液中发生的主要离子方程式为_______。(6)向酸性含铅废水中加Na2S可将Pb2+转化为PbS除去，使用该方法通常先将溶液pH调至6左右，若溶液pH过低会导致_______。已知Ksp(PbS)=8.0×10-28，国家规定的废水排放标准中铅含量不高于0.5mg/L，若某工厂处理过的废水中S2-浓度为2.0×10-20mol/L，该废水中铅含量_______(填“已经”或“尚未”)达到国家规定的排放标准。 【答案】(1)适当升高温度或粉碎方铅矿、充分搅拌(写一条)(2)PbO+CPb+CO↑(3)Fe2+、Zn2+和Pb2+(4)销酸铅受热易分解(5)10Pb(OH)+OH−=Pb(OH)(6)产生大量H2S造成污染已经【分析】方铅矿中通入空气焙烧，发生反应2PbS+3O22SO2+2PbO，加入焦炭还原，发生反应PbO+CPb+CO↑，得到粗铅，通过电解精炼得到纯Pb，Pb加热得到PbO，将PbO投入NaClO溶液中得到PbO2，发生的反应为ClO−+PbO═PbO2+Cl−，以此解答。【解析】(1)“焙烧”时，提高反应速率的措施有：适当升高温度或粉碎方铅矿、充分搅拌(写一条)；故答案为：适当升高温度或粉碎方铅矿、充分搅拌(写一条)；(2)根据流程图可知，PbO在高温条件下能被焦炭还原生成Pb，反应方程式为PbO+CPb+CO↑；故答案为：PbO+CPb+CO↑；(3)“粗铅”中含有的杂质有锌、铁、铜、银，其中锌、铁金属的活泼性均强于金属铅，所以在阳极上放电的金属是锌、铁、铅，电解精炼后溶液中的金属阳离子有Fe2+、Zn2+和Pb2+，故答案为：Fe2+、Zn2+和Pb2+；(4)销酸铅受热易分解，所以制备销酸铅时需要加热，但温度不宜过高，故答案为：销酸铅受热易分解；(5)由图可知，当Pb2+的浓度为0时，pH约为10，若采用氢氧化物沉淀法除溶液中的Pb2+，应将溶液的pH调至约为10；pH⩾13时Pb(OH)浓度减小，Pb(OH)浓度增大，Pb(OH)与氢氧根离子反应生成Pb(OH)，反应的离子方程式：Pb(OH)+OH−=Pb(OH)，故答案为：10；Pb(OH)+OH−=Pb(OH)； (6)向酸性含铅废水中加Na2S可将Pb2+转化为PbS除去，使用该方法通常先将溶液pH调至6左右，若溶液pH过低会导致产生大量H2S造成污染，废水中S2−浓度为2.0×10−20mol/L，结合Ksp(PbS)=8.0×10-28可以计算出Pb2+浓度c(Pb2+)=8mol/L=4.0×10−8mol/L，铅含量=4.0×10−8mol/L×207×1000mg/mol=8.28×10−3mg/L