例谈无机工艺流程题中离子的除杂和分离-《化学教学》(2018年6期).docx

龙源版权所有 例谈无机工艺流程题中离子的除杂和分离作者：韩万中来源：《化学教学》2018年第06期 摘要： 基于离子性质的多样性及特殊性，通过实例的方式对无机工艺流程题中的离子分离和消除方法进行总结，除了常见的沉淀法、氧化还原转化法外，还有调节溶液的pH法、加入难溶电解质法、离子交换树脂法、萃取和反萃取法、电渗析法等，说明了上述各方法的特点，阐述了其中的化学原理。 关键词： 无机工艺流程题； 离子的除杂和分离； 解题思路 文章编号： 1005-6629（2018）6-0082-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 在无机制备、资源回收、选矿和提取稀有金属等实验或实际生产中，分离除去杂质离子是提纯工艺流程中的重要环节。不同的离子性质不同，即使是同种离子在不同的物理或化学环境中表现出来的性质往往也不尽相同，这样的差异性或其特殊反应，必然决定了离子除杂或分离的复杂性和独特性。选用合适的试剂与杂质离子反应直接形成沉淀或通过氧化还原反应转化为需保留的离子是学生最容易接受和理解的方法，如使用NaF沉淀Li+，使用氧化剂将Fe2+转化为Fe3+等。但沉淀法、氧化还原转化法不是万能的，由于离子的“个性”，加之运用一定的技术手段，因此，在实际生产工艺中还有其他“高招”。本文欲通过例题方式，整合和迁移分散在教材中的各种分离除杂方法，突破简单思维和思维定势，以期提高学生乃至教师的工程素养。 1 调节溶液的pH法除杂质离子 利用不同金属离子水解程度的不同及金属氢氧化物的Ksp的差异，通过加入适当物质，升高溶液的pH使之处于某范围内，促进溶液中某些金属离子水解生成氢氧化物沉淀除去。同理，对于部分弱酸根离子，可降低溶液pH至一定的范围，促使杂质阴离子水解而沉降除去，并确保所需要的离子依旧存留在溶液中。 例1 （2015全国课标Ⅱ， 26改编） 酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌。有关数据如下表所示： 用废电池的锌皮制作七水合硫酸锌，需去除少量杂质铁，其方法是： 加入稀硫酸和雙氧水，溶解，铁变为 ，加碱调节pH为 ，铁刚好完全沉淀（离子浓度小于1×10-5mol·L-1时，即可认为该离子沉淀完全）。继续加碱调节pH为 ，锌开始沉淀（假定Zn2+浓度为0.1mol·L-1）。若上述过程不加双氧水的后果是 ，原因是 。 分析： 酸性条件下铁被双氧水氧化为Fe3+，根据溶度积原理，通过调节溶液的pH可使铁锌两元素以Fe（OH）3和Zn（OH）2形式分离开来，若不加双氧水，其Fe（OH）2和Zn（OH）2的Ksp非常接近，无法达到分离的目的。 当Fe3+完全以Fe（OH）3沉淀时，溶液中c（OH）-=310-3910-5=1×10-11.3mol·L-1，其pH=2.7；当Zn（OH）2开始沉淀时，溶液中c（OH-）=10-170.1=1×10-8mol·L-1，其pH=6。 答案： Fe3+； 2.7； 6； Zn2+和Fe2+分离不开；Fe（OH）2和Zn（OH）2的Ksp相近。 总结： 以M（OH）n为通式，则Ksp=c（Mn+）·cn（OH-）， c（OH-）=nKsp/c（Mn+）。设开始沉淀时金属离子浓度为0.1mol·L-1，完全沉淀时金属离子浓度为1×10-5mol·L-1，代入上式pH（开始沉淀）=14+1nlgKsp0.01， pH（完全沉淀）=14+1nlgKsp10-5。 更改上列计算式对数项分母（金属离子浓度）还可得到不同浓度金属离子开始沉淀和沉淀完全时的pH，其结果列于表1。 将表1中的数据制作成以金属离子浓度为纵坐标、以pH为横坐标的图解，如图1所示。图1中的斜线是金属离子形成氢氧化物沉淀的平衡线，斜线顶点的横坐标数值相当于0.1mol·L-1浓度时开始产生氢氧化物沉淀的pH，而底端横坐标数值相当于沉淀完全的pH，因此，当图1中右边的金属离子开始沉淀的pH高于左边金属沉淀完全的pH时，控制溶液pH逐渐增大，可使左边金属离子沉淀完全，而右边金属离子尚未开始沉淀，由此可将它们分级地沉淀出来，这种操作叫做分级沉淀，也叫分步沉淀。很明显，一种离子开始沉淀（直线顶点）和另一离子沉淀完全（直线底端）的pH离得越近，用分级沉淀对它们进行分离的难度就越大[1]。 调节溶液的pH方法很多，可根据需调节pH的范围选择合适的试剂，如逐步加入金属氧化物、强碱弱酸盐、强碱等均可使溶液pH升高，但升高的程度不同，对溶液中离子组成的影响也不同。例如，去除酸性ZnSO4溶液中的Fe3+，可加入ZnO使溶液pH约升高到3即可使Fe3+完全形成Fe（OH）3沉淀而除去，且不引入杂质离子。 至此，个别学生还可能有一点不解： Fe3+、 Cu2+怎么能在酸性溶液中形成氢氧化物沉淀呢？在水溶液中，OH-是客观存在的，