论文部分内容阅读
据凤凰网等多家媒体报道，今年春节期间发生在广西龙江河的镉污染事件中，镉泄漏量达到20吨（相当于2010年全国废水镉排放量的2/3），造成龙江河以及柳江两岸的人们陷入用水恐慌。
其实，不管是这次镉污染事件，还是前期国内的稻米镉超标问题、云南曲靖铬渣污染、紫金矿业汀江污染等事件，重金属污染已成为近几年公众关注的一个社会热点问题，同时，也可能成为高考化学试题的命题热点。本文分析重金属污染与化学高考的密切联系，预测命题方向。
第一类：跟重金属污染相关的是非判断题
这一类试题往往会涉及一些重要的化学常识，例如重金属的性质、污染防治办法等，也会涉及化学工业问题。平时复习过程中同学们要重视诸如下列的基本观点和化学基础知识：
（1）受镉、铬、汞、铅等重金属污染的水不能饮用，不能用于灌溉农田，受污染区域的土壤不能用于种植食用性植物。早年日本的“疼痛病”就与镉污染相关，而“水俣病”则跟汞污染有关。
（2）重金属污染源比较多，常见的有电镀、造纸、制革等化工厂排放的废液，金属冶炼、煤燃烧、采矿等残留的废渣，日常生活留下的废旧电池、电瓶等。
（3）预防重金属污染比治理更有效。一旦发生重金属污染，环境是十分难恢复的，危害周期漫长。
治理重金属污染主要靠化学方法。如，在本次广西龙江河镉污染处理过程中，向受污染的河水中加入大量石灰、聚氯化铝等，利用相关的化学反应来降低河水中的镉含量。
例1 环境污染已成为危害人类生存的一个严峻问题，下列有关环境污染的说法不正确的是（ ）
A．目前，我国许多地区禁止使用含铅汽油，是为了预防铅污染
B．Cr（VI）有强烈的致癌作用，对农作物及微生物的毒害也很大，所以含铬废水必须处理达标后才能排放
C．废旧电池中的汞、镉、铅等重金属盐会造成污染，所以必须收集起来进行深埋处理
D．氮的氧化物会造成光化学污染，也会破坏臭氧层，还可能形成硝酸型酸雨
【简析】早年生产的汽油中添加了含铅抗震剂，大量使用易造成铅污染。目前，包括我国在内的许多国家都禁止使用含铅汽油。含重金属元素的废弃物品（如含汞、镉等重金属盐的废旧电池和废旧电瓶等）必须收集起来集中处理，但不能跟普通垃圾一样进行深埋处理，否则会造成地下水污染等更严重的危害。
【答案】C
例2 在广西龙江河发生严重水体镉污染时，环保部门采用加入石灰和聚氯化铝或聚合硫酸铁（PFS）的方法处理。PFS的化学式为[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m（n< 5，m<10）。下列说法中错误的是（ ）
A．在元素周期表中，铝元素属于主族元素，铁和镉元素都属于副族元素
B．污染河水中的镉元素可以用原子吸收分光光度法等方法来检测
C．PFS中含有Fe3+、Fe2+离子，投入受污染的河水中都会转化为氢氧化铁胶体而吸附含镉物质
D．工业上可以用铝土矿为原料制取聚氯化铝，可以用赤铁矿为原料制取PFS
【简析】元素周期表中，铁元素在第四周期、第VⅢ族，镉元素在第四周期、第IIB族。化学分析中常常会借助一些仪器来检测化学物质含量，如原子吸收分光光度法。PFS实际是一种碱式硫酸铁，从“[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m”中可计算出铁元素的化合价是+3价。
【答案】C
第二类：与含重金属废渣处理相关的综合题
据凤凰网报道，这次广西龙江河镉污染事件跟两家企业直接相关，一家从事“湿法提铟生产”（即提炼重金属铟），另一家主要是“生产电解锌”（即提炼重金属锌）。两家企业都没有对生产过程产生的废液、废渣进行严格处理，恶意排放重金属量严重超标的废液和废渣，造成了极为严重的后果。
为了提高同学们从化学学科视角观察和分析这类问题的能力，大家在高考复习时可补充拓展类似以下的内容：
（1）金属冶炼过程中常常会产生含重金属元素的废渣、废液等，必须按国家规定标准进行严格处理。含镉矿物常跟含锌矿物伴生，所以冶炼锌时可得到副产品镉。
（2）镉有广泛用途。镉可用作轴承材料和抗锈镀层，比镀锌的抗锈效果更好。镉化合物可用于电视机和监视器的荧光材料。银-铟-镉合金由于耐腐蚀性、标度稳定性好，可取代昂贵的铪用于制作核反应堆（轻水堆）中的中子控制棒。硫化镉可用于制作被广泛应用的光电管。CdTe是一种优良的混晶材料。
（3）重金属对人体的毒害程度与摄入体内的数量有关，与其存在的形态也有密切的关系。如烷基汞比含Hg2+无机盐毒性强得多，Cr（VI）的毒性比Cr（III）的毒性大得多。某些金属的毒性受到其他共存物的影响，如铜、锌共存时其毒性为它们单独存在时的8倍，又如锌能抑制镉的毒性，硒能对抗铅、汞、镉、砷等有害元素对人体的危害。
例3 现代炼锌的方法可分为火法和湿法两大类，镉是生产硫酸锌的副产品，属于高毒性金属。试回答下列相关问题。
（1）火法炼锌是将闪锌矿（主要含ZnS）通过浮选、焙烧使它转化为氧化锌，再把氧化锌和焦炭混合，在鼓风炉中加热至1373～1573 K，使锌蒸馏出来。主要反应为：
2ZnS +3O22ZnO+2SO2； 鼓风炉中：2C +O2
2CO，ZnO+COZn + CO2。
火法炼锌的残渣中含多种金属单质及In2O3，可用硫酸提取铟。某研究机构对此进行研究的数据如下。实验中溶液的酸度（每升溶液中含硫酸的质量）与铟的浸出率如下图1，硫酸溶液与固体的体积比如图2。
①当酸度为196时，硫酸的物质的量浓度为 。
②从节约原料和浸出率考虑，适宜的酸度和液固比分别为 、 。
（2）湿法炼锌的主要工艺流程为：
①从保护环境和充分利用原料角度看，如何循环利用烟气？ 。
②欲除去酸浸出液中的铁，可用H2O2氧化，再调节pH使之形成Fe（OH）3沉淀。写出H2O2氧化Fe2+的离子方程式： 。
③酸浸出液还含有Cd2+，为了防止镉污染并回收镉，根据它们的性质差异，可用氢氧化钠溶液分离。已知氢氧化锌和氢氧化铝一样也具有两性，试写出分离两者的离子方程式： 、 。
【简析】观察题给图1，可确定当硫酸的酸度达到180以上时，铟的浸出量已达到最大值；观察题给图2，可确定当液固比达到6∶1时，铟的浸出率已达到最大值。
氢氧化锌跟氢氧化铝一样具有两性，但氢氧化镉没有两性，可利用这一性质将锌和镉分离。在混合溶液中加氢氧化钠时，氢氧化锌转化为锌酸盐溶解，镉离子转化为氢氧化镉沉淀。
【答案】（1）①2 mol·L-1 ②180 6∶1
（2）①将烟道气净化，用于生产硫酸等 ②2Fe2+ +H2O2 + 2H+ 2Fe3+ +2H2O
③Cd2+ + 2OH-Cd（OH）2↓
Zn2++4OH-ZnO22-+2H2O
例4 （1）工业废水中常含有不同类型的污染物，可采用不同的方法处理。以下是乙同学针对含不同污染物的废水提出的处理措施和方法，其中正确的是（ ）
选项 污染物 处理措施 方法类别
A 废酸 加生石灰中和 物理法
B Cu2+等重金属离子 加硫酸盐沉降 化学法
C 含复杂有机物的废水 通过微生物代谢 物理法
D 碱性的废水 用CO2来中和 化学法
（2）工业废水必须经过处理达到排放标准后才能排放。硫酸工业的废水主要含有微量硫酸和铁离子、铅离子等重金属离子，一般用石灰来除去这些有害成分，原理是____________。
（3）电镀等工业中对含铬废水的处理原理是将Cr2O72-转化为Cr3+ ，再将Cr3+ 转化为沉淀。废水中pH与Cr2O72-转化为Cr3+ 的关系如图1所示，实验室模拟工业电解法处理含铬废水的装置如图2所示。
“（ ）”中标出电源的正、负极。
③实验中除能观察到废水的颜色发生明显变化外，还可能观察到的其他现象是 。
④当废水颜色不再发生明显变化时，切断电源，取出电极，再调节电解液的pH至8左右。调节pH的目的是 。
⑤含铬废水国家排放标准为Cr（VI）含量小于（含等于）0.1000 mg/L。取上述电解后的废水200.00 mL，调节pH=1后置于锥形瓶中，用浓度为0.0001 mol/L的KI溶液滴定，至滴定终点时，用去KI溶液9.00 mL。已知酸性条件下，I -被Cr2O72-氧化的产物为I2。上述电解法处理后的废水中Cr（VI）的含量为 mg/L。
【简析】第（2）问中，在含有铁离子和铅离子等重金属离子的废水中加石灰，目的是调节溶液的pH，以利于铁离子和铅离子转化为难溶物质沉淀。
第（3）问中，铁作电解池的阳极，电解过程中铁在阳极被氧化为Fe2+离子，Fe2+离子进入溶液后，跟Cr2O72-发生如下氧化还原反应：
Cr2O72-+6Fe2++14H+6Fe3++2Cr3++7H2O
所以，含铬废水先要进行“酸化”预处理，图中铁棒应该跟电源正极相连接。待到溶液中Cr2O72-全部转化为Cr3+时，应再调节溶液的pH使溶液显碱性，以促使铁离子和铬离子转化为难溶的氢氧化铬和氢氧化铁沉淀。
【答案】（1）D （2）中和硫酸；石灰跟铁离子等反应形成絮状沉淀，有较好的吸附作用，从而除去重金属离子
（3）①调节pH为1左右 ②＋ ③阴极区产生沉淀 ④使溶液中的Fe3+、Cr3+全部转化为氢氧化物沉淀 ⑤0.0780 mg/L
其实，不管是这次镉污染事件，还是前期国内的稻米镉超标问题、云南曲靖铬渣污染、紫金矿业汀江污染等事件，重金属污染已成为近几年公众关注的一个社会热点问题，同时，也可能成为高考化学试题的命题热点。本文分析重金属污染与化学高考的密切联系，预测命题方向。
第一类：跟重金属污染相关的是非判断题
这一类试题往往会涉及一些重要的化学常识，例如重金属的性质、污染防治办法等，也会涉及化学工业问题。平时复习过程中同学们要重视诸如下列的基本观点和化学基础知识：
（1）受镉、铬、汞、铅等重金属污染的水不能饮用，不能用于灌溉农田，受污染区域的土壤不能用于种植食用性植物。早年日本的“疼痛病”就与镉污染相关，而“水俣病”则跟汞污染有关。
（2）重金属污染源比较多，常见的有电镀、造纸、制革等化工厂排放的废液，金属冶炼、煤燃烧、采矿等残留的废渣，日常生活留下的废旧电池、电瓶等。
（3）预防重金属污染比治理更有效。一旦发生重金属污染，环境是十分难恢复的，危害周期漫长。
治理重金属污染主要靠化学方法。如，在本次广西龙江河镉污染处理过程中，向受污染的河水中加入大量石灰、聚氯化铝等，利用相关的化学反应来降低河水中的镉含量。
例1 环境污染已成为危害人类生存的一个严峻问题，下列有关环境污染的说法不正确的是（ ）
A．目前，我国许多地区禁止使用含铅汽油，是为了预防铅污染
B．Cr（VI）有强烈的致癌作用，对农作物及微生物的毒害也很大，所以含铬废水必须处理达标后才能排放
C．废旧电池中的汞、镉、铅等重金属盐会造成污染，所以必须收集起来进行深埋处理
D．氮的氧化物会造成光化学污染，也会破坏臭氧层，还可能形成硝酸型酸雨
【简析】早年生产的汽油中添加了含铅抗震剂，大量使用易造成铅污染。目前，包括我国在内的许多国家都禁止使用含铅汽油。含重金属元素的废弃物品（如含汞、镉等重金属盐的废旧电池和废旧电瓶等）必须收集起来集中处理，但不能跟普通垃圾一样进行深埋处理，否则会造成地下水污染等更严重的危害。
【答案】C
例2 在广西龙江河发生严重水体镉污染时，环保部门采用加入石灰和聚氯化铝或聚合硫酸铁（PFS）的方法处理。PFS的化学式为[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m（n< 5，m<10）。下列说法中错误的是（ ）
A．在元素周期表中，铝元素属于主族元素，铁和镉元素都属于副族元素
B．污染河水中的镉元素可以用原子吸收分光光度法等方法来检测
C．PFS中含有Fe3+、Fe2+离子，投入受污染的河水中都会转化为氢氧化铁胶体而吸附含镉物质
D．工业上可以用铝土矿为原料制取聚氯化铝，可以用赤铁矿为原料制取PFS
【简析】元素周期表中，铁元素在第四周期、第VⅢ族，镉元素在第四周期、第IIB族。化学分析中常常会借助一些仪器来检测化学物质含量，如原子吸收分光光度法。PFS实际是一种碱式硫酸铁，从“[Fe2（OH）n（SO4）3-n/2]m”中可计算出铁元素的化合价是+3价。
【答案】C
第二类：与含重金属废渣处理相关的综合题
据凤凰网报道，这次广西龙江河镉污染事件跟两家企业直接相关，一家从事“湿法提铟生产”（即提炼重金属铟），另一家主要是“生产电解锌”（即提炼重金属锌）。两家企业都没有对生产过程产生的废液、废渣进行严格处理，恶意排放重金属量严重超标的废液和废渣，造成了极为严重的后果。
为了提高同学们从化学学科视角观察和分析这类问题的能力，大家在高考复习时可补充拓展类似以下的内容：
（1）金属冶炼过程中常常会产生含重金属元素的废渣、废液等，必须按国家规定标准进行严格处理。含镉矿物常跟含锌矿物伴生，所以冶炼锌时可得到副产品镉。
（2）镉有广泛用途。镉可用作轴承材料和抗锈镀层，比镀锌的抗锈效果更好。镉化合物可用于电视机和监视器的荧光材料。银-铟-镉合金由于耐腐蚀性、标度稳定性好，可取代昂贵的铪用于制作核反应堆（轻水堆）中的中子控制棒。硫化镉可用于制作被广泛应用的光电管。CdTe是一种优良的混晶材料。
（3）重金属对人体的毒害程度与摄入体内的数量有关，与其存在的形态也有密切的关系。如烷基汞比含Hg2+无机盐毒性强得多，Cr（VI）的毒性比Cr（III）的毒性大得多。某些金属的毒性受到其他共存物的影响，如铜、锌共存时其毒性为它们单独存在时的8倍，又如锌能抑制镉的毒性，硒能对抗铅、汞、镉、砷等有害元素对人体的危害。
例3 现代炼锌的方法可分为火法和湿法两大类，镉是生产硫酸锌的副产品，属于高毒性金属。试回答下列相关问题。
（1）火法炼锌是将闪锌矿（主要含ZnS）通过浮选、焙烧使它转化为氧化锌，再把氧化锌和焦炭混合，在鼓风炉中加热至1373～1573 K，使锌蒸馏出来。主要反应为：
2ZnS +3O22ZnO+2SO2； 鼓风炉中：2C +O2
2CO，ZnO+COZn + CO2。
火法炼锌的残渣中含多种金属单质及In2O3，可用硫酸提取铟。某研究机构对此进行研究的数据如下。实验中溶液的酸度（每升溶液中含硫酸的质量）与铟的浸出率如下图1，硫酸溶液与固体的体积比如图2。
①当酸度为196时，硫酸的物质的量浓度为 。
②从节约原料和浸出率考虑，适宜的酸度和液固比分别为 、 。
（2）湿法炼锌的主要工艺流程为：
①从保护环境和充分利用原料角度看，如何循环利用烟气？ 。
②欲除去酸浸出液中的铁，可用H2O2氧化，再调节pH使之形成Fe（OH）3沉淀。写出H2O2氧化Fe2+的离子方程式： 。
③酸浸出液还含有Cd2+，为了防止镉污染并回收镉，根据它们的性质差异，可用氢氧化钠溶液分离。已知氢氧化锌和氢氧化铝一样也具有两性，试写出分离两者的离子方程式： 、 。
【简析】观察题给图1，可确定当硫酸的酸度达到180以上时，铟的浸出量已达到最大值；观察题给图2，可确定当液固比达到6∶1时，铟的浸出率已达到最大值。
氢氧化锌跟氢氧化铝一样具有两性，但氢氧化镉没有两性，可利用这一性质将锌和镉分离。在混合溶液中加氢氧化钠时，氢氧化锌转化为锌酸盐溶解，镉离子转化为氢氧化镉沉淀。
【答案】（1）①2 mol·L-1 ②180 6∶1
（2）①将烟道气净化，用于生产硫酸等 ②2Fe2+ +H2O2 + 2H+ 2Fe3+ +2H2O
③Cd2+ + 2OH-Cd（OH）2↓
Zn2++4OH-ZnO22-+2H2O
例4 （1）工业废水中常含有不同类型的污染物，可采用不同的方法处理。以下是乙同学针对含不同污染物的废水提出的处理措施和方法，其中正确的是（ ）
选项 污染物 处理措施 方法类别
A 废酸 加生石灰中和 物理法
B Cu2+等重金属离子 加硫酸盐沉降 化学法
C 含复杂有机物的废水 通过微生物代谢 物理法
D 碱性的废水 用CO2来中和 化学法
（2）工业废水必须经过处理达到排放标准后才能排放。硫酸工业的废水主要含有微量硫酸和铁离子、铅离子等重金属离子，一般用石灰来除去这些有害成分，原理是____________。
（3）电镀等工业中对含铬废水的处理原理是将Cr2O72-转化为Cr3+ ，再将Cr3+ 转化为沉淀。废水中pH与Cr2O72-转化为Cr3+ 的关系如图1所示，实验室模拟工业电解法处理含铬废水的装置如图2所示。
“（ ）”中标出电源的正、负极。
③实验中除能观察到废水的颜色发生明显变化外，还可能观察到的其他现象是 。
④当废水颜色不再发生明显变化时，切断电源，取出电极，再调节电解液的pH至8左右。调节pH的目的是 。
⑤含铬废水国家排放标准为Cr（VI）含量小于（含等于）0.1000 mg/L。取上述电解后的废水200.00 mL，调节pH=1后置于锥形瓶中，用浓度为0.0001 mol/L的KI溶液滴定，至滴定终点时，用去KI溶液9.00 mL。已知酸性条件下，I -被Cr2O72-氧化的产物为I2。上述电解法处理后的废水中Cr（VI）的含量为 mg/L。
【简析】第（2）问中，在含有铁离子和铅离子等重金属离子的废水中加石灰，目的是调节溶液的pH，以利于铁离子和铅离子转化为难溶物质沉淀。
第（3）问中，铁作电解池的阳极，电解过程中铁在阳极被氧化为Fe2+离子，Fe2+离子进入溶液后，跟Cr2O72-发生如下氧化还原反应：
Cr2O72-+6Fe2++14H+6Fe3++2Cr3++7H2O
所以，含铬废水先要进行“酸化”预处理，图中铁棒应该跟电源正极相连接。待到溶液中Cr2O72-全部转化为Cr3+时，应再调节溶液的pH使溶液显碱性，以促使铁离子和铬离子转化为难溶的氢氧化铬和氢氧化铁沉淀。
【答案】（1）D （2）中和硫酸；石灰跟铁离子等反应形成絮状沉淀，有较好的吸附作用，从而除去重金属离子
（3）①调节pH为1左右 ②＋ ③阴极区产生沉淀 ④使溶液中的Fe3+、Cr3+全部转化为氢氧化物沉淀 ⑤0.0780 mg/L