2022年版高考化学一轮总复习第三章金属及其化合物专题讲座无机化学工艺流程题的解题策略 .pdf

1 专题讲座无机化学工艺流程题的解题策略工艺流程题就是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问，是无机框图题的创新，题目常常以现代工业生产为基础，将化学工艺流程进行简化，与化工生产成本、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、分离等基本实验原理在化工生产中的实际应用，是近几年高考化学命题中的常考题型。一、题型结构1化工流程线路示意图。(1) 箭头：箭头进入的是投料( 即反应物 ) 、出去的是生成物( 包括主产物和副产物) 。(2) 三线：物料进出线、操作流程线、循环操作线。2涉及问题。(1) 原料的预处理。(2) 反应条件的控制( 温度、压强、催化剂、原料配比、pH、溶剂等 ) 。(3) 反应原理 ( 化学平衡、水解平衡、化学反应速率、反应热、电化学等) 。(4) 绿色化学问题 ( 物质循环利用、废物的处理、原子利用率、能量充分利用等) 。(5) 化工安全 ( 防爆、防污染、防中毒等) 。二、解题思路及方法1解题思路。审题阅读题目的背景材料提供的原料物料或操作流程提供的条件和图表化工流程图的类型重要的操作名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2 析题弄清目的和原理弄清各步骤的目的如何运用条件问题突破口与隐含条件建立解题思路与方法答题从目的和反应原理切入从原料和产品切入从生产要求和条件切入从产品分享提纯切入从绿色化学思想切入注意问题表达（因果、对比、逆向）2解题方法。(1) 首尾分析法：对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序) 试题，首先对比分析流程图中第一种物质( 原材料 ) 与最后一种物质( 产品 ) ， 从对比分析中找出原料与产品之间的关系， 弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺，然后再结合题设的问题，逐一推敲解答。(2) 分段分析法：对于用同样的原材料生产多种( 两种或两种以上) 产品 ( 包括副产品 ) 的工业流程题，用分段分析法更容易找到解题的切入点。(3) 交叉分析法：有些化工生产选用多组原材料，先合成一种或几种中间产品，再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品，这种题适合用交叉分析法。就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理划分成几条生产流水线，然后上下交叉分析。3答题步骤。(1) 从题干中获取有用信息，了解生产的产品。(2) 整体浏览一下流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段。(3) 分析流程中的每一步骤，并获取以下信息：知道“四个什么”。反应物是什么，发生了什么反应，该反应造成了什么后果，对制造产品有什么作用。抓住“一个关键” 。一切反应或操作都是为获得产品而服务。(4) 从问题中获取信息，帮助解题。4规范解答。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3 (1) 文字叙述类的题目要规范解答，防止出现因叙述不严谨导致的失分，如：如何洗涤沉淀： 往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流下后， 重复以上操作23 次。如何证明沉淀完全：如向含SO24的溶液中加BaCl2溶液，将沉淀静置，取上层清液，再加 BaCl2溶液，若无白色沉淀生成，说明沉淀完全。如何从溶液中得到晶体：蒸发浓缩冷却结晶过滤洗涤干燥。在写某一步骤是为了除杂时，应该注明“是为了除去杂质”，只写“除杂”等一类万能式的回答是不正确的。(2) 认真审题，不要因审题不细致而失分，如：填“化学方程式”还是“离子方程式”。填“名称”“符号”还是“代号”“序号”等。填“大于”“ ”“增大”还是“变大”等。填“化学式”“分子式”“结构式”“结构简式”“最简式”还是“电子式”等。书写化学方程式时要注意配平、注明反应条件以及“”“ =”“”“”“”等。三、答题的必备知识1对原料进行预处理的常用方法及其作用。(1) 研磨减小固体的颗粒度，增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率。(2) 水浸与水接触反应或溶解。(3) 酸浸与酸接触反应或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去。(4) 灼烧除去可燃性杂质或使原料初步转化，如从海带中提取碘时的灼烧就是为了除去可燃性杂质。(5) 煅烧改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质在高温下氧化、分解，如煅烧高岭土。2常用的控制反应条件的方法。(1) 调节溶液的pH。常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH 所需的物质一般应满足两点：能与 H反应，使溶液pH增大。不引入新杂质。例如： 若要除去 Cu2中混有的 Fe3，可加入 CuO 、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的 pH，不可加入NaOH 溶液、氨水等。(2) 控制温度。根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动。(3) 控制压强。改变速率，影响平衡。(4) 使用正催化剂。加快反应速率，缩短达到平衡需要的时间。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4 (5) 趁热过滤。防止某些物质降温时析出。(6) 冰水洗涤。洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。3明确常用的提纯方法。(1) 水溶法：除去可溶性杂质。(2) 酸溶法：除去碱性杂质。(3) 碱溶法：除去酸性杂质。(4) 氧化剂或还原剂法：除去还原性或氧化性杂质。(5) 加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。(6) 调节溶液的pH法：如除去酸性含铜溶液中的Fe3等。4明确常用的分离方法。(1) 过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法。(2) 萃取和分液：利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。(3) 蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。(4) 冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如 KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4 5H2O 、FeSO47H2O等。(5) 蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。(6) 冷却法：利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气。5物质分离、提纯的原则。(1) 不增：不引入新的杂质。(2) 不减：不减少被提纯物。(3) 易分离：被提纯物与杂质容易分离。(4) 易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成状态。6物质分离、提纯注意事项。(1) 除杂试剂需过量。(2) 过量试剂需除去。(3) 除去多种杂质时要考虑加入试剂的顺序。(4) 选择最佳除杂途径。【例1】(2015全国卷) 硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿( 主要成分为 Mg2B2O5H2O和 Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO 、CaO 、Al2O3和 SiO2等) 为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 5 回答下列问题：(1) 写出 Mg2B2O5H2O与硫酸反应的化学方程式_。为提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度外，还可采取的措施有_( 写出两条 ) 。(2) 利用 _的磁性，可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是_ ( 化学式 ) 。(3) “净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是 _ _ 。然后再调节溶液的pH约为 5，目的是 _ _ 。(4) “粗硼酸”中的主要杂质是_( 填名称 ) 。(5) 以硼酸为原料可制得硼氢化钠(NaBH4) ，它是有机合成中的重要还原剂，其电子式为_ 。(6) 单质硼可用于生成具有优良抗冲击性能的硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程_ _ 。解析： B和 Al 是同主族元素，参考Al 的性质推断B及其化合物的性质。可通过搅拌矿粉、升高温度提高浸出率。Fe3O4有磁性， SiO2与硫酸不反应存留于浸渣中，而氧化钙和硫酸反应的产物硫酸钙没有除去；加H2O2溶液使二价铁转化为三价铁，然后调节pH 使三价铁和铝离子形成氢氧化物除去，根据最后过滤后得到含镁盐母液推断；根据元素成键规律可知硼氢化钠电子式，根据题给信息和氧化还原反应规律可知2H3BO33Mg=3MgO2B3H2O 。答案： (1)Mg2B2O5H2O2H2SO4=2MgSO42H3BO3搅拌矿粉、升高温度(2)Fe3O4SiO2和 CaSO4(3) 氧化溶液中的Fe2除去溶液中的Al3和 Fe3(4)( 七水 ) 硫酸镁名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 6 (6)2H3BO33Mg=3MgO2B3H2O 【例 2】锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有钴酸锂 (LiCoO2) 、导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C xLixe=LixC6。 现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源( 部分条件未给出) 。回答下列问题：(1)LiCoO2中， Co元素的化合价为_。(2) 写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式_ _ 。(3) “酸浸”一般在80 下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式 _ ； 可 用 盐 酸 代 替H2SO4和H2O2的 混 合 液 ， 但 缺 点 是_ _ 。(4) 写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式_ _ 。(5) 充放电过程中发生LiCoO2与 Li1xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式_ _ 。(6) 上述工艺中“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是_ 。在整个回收工艺中，可回收的金属化合物有_( 填化学式 )。解析： (1) 在 LiCoO2中，由于 Li 的化合价为 1，O的化合价为 2，根据化合价为零的规则，可知Co的化合价为 3。(2) 在“正极碱浸”的条件下，正极材料中的铝箔和NaOH 溶液发生反应：2Al 2OH2H2O=2AlO23H2。(3) 在酸性条件下H2O2既有氧化性又有还原性，在酸浸过程中有H2O2的分解反应：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 7 2H2O2=2H2O O2；另外H2O2具有还原性，3 的 Co 可以将H2O2氧化，反应为：2LiCoO23H2SO4H2O2=Li2SO42CoSO4O2 4H2O ，用盐酸代替硫酸和H2O2，在反应过程中盐酸被氧化，会有氯气产生，污染环境。(4) 在 CoSO4溶液中加入NH4HCO3， 然后过滤得到CoCO3， 说明沉钴过程中生成碳酸钴沉淀，根据原子守恒可得反应为CoSO42NH4HCO3=CoCO3(NH4)2SO4H2O CO2。(5) 充放电过程中，同一个电极的反应类型相反，在充电时发生反应：6CxLixe=LixC6，碳元素化合价降低属于还原反应；则放电时LixC6是反应物，生成C，发生氧化反应，而 Li1xCoO2与 LiCoO2相比， Li1xCoO2中钴的价态较高，可知Li1xCoO2为反应物，电极反应为： Li1xCoO2LixC6=LiCoO26C。(6) 考查了原电池原理。在锂离子电池中Li 做负极， 在放电过程中失电子变成Li从负极脱出， 进入溶液经过电解质溶液移向正极。根据流程图可知在整个回收工艺中，回收到的金属化合物有Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4。答案： (1) 3 (2)2Al 2OH2H2O=2AlO23H2(3)2LiCoO23H2SO4H2O2=Li2SO42CoSO4O2 4H2O、2H2O2=2H2O O2Cl被氧化生成Cl2污染环境(4)CoSO42NH4HCO3=CoCO3 (NH4)2SO4H2O CO2(5)Li1xCoO2LixC6=LiCoO26C (6)Li从负极脱出，经电解液向正极移动并进入正极材料中Al(OH)3、CoCO3、Li2SO41氧化锌为白色粉末，可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。纯化工业级氧化锌 含有Fe() 、Mn() 、 Ni() 等杂质 的流程如下：提示：在本实验条件下，Ni( ) 不能被氧化；高锰酸钾的还原产物是MnO2。回答下列问题：(1)反 应 中 除 掉 的 杂 质 离 子 是 _ ， 发 生 反 应 的 离 子 方 程 式 为_ _ ；在加高锰酸钾溶液前，若pH较低，对除杂的影响是_ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 8 _ 。(2) 反应的反应类型为_，过滤得到的滤渣中，除了过量的锌外还有_。(3)反 应 形 成 的 沉 淀 要 用 水 洗 ， 检 验 沉 淀 是 否 洗 涤 干 净 的 方 法 是_ _ 。(4) 反应中产物的成分可能是ZnCO3xZn(OH)2。取干燥后的滤饼11.2 g，煅烧后可得到产品 8.1 g 。则x等于 _。解析： 从分析整个流程图入手，明确每步发生的反应，从而解决相关问题。(1) 在反应中，通过调节溶液的pH，高锰酸钾能将溶液中的Fe2氧化为 Fe3，将 Mn2氧化为 MnO2而除去；若开始溶液的pH过低， Fe2、Mn2将很难生成沉淀而除去。(2) 第一次过滤后的滤液中含有的阳离子有Zn2、Ni2、H等，加入锌后可将Ni 置换出来，故滤渣中还含有金属镍。(3) 反应生成的沉淀为ZnCO3，同时生成 Na2SO4，若沉淀未洗涤干净，洗涤液中应含有SO24和 Na，故只要对洗涤液中是否含有SO24进行检验即可。(4) 煅烧过程中ZnCO3、Zn(OH)2均发生分解反应生成ZnO ，根据关系式ZnCO3xZn(OH)2(x 1)ZnO，可得12599x81（x1）11.2 g8.1 g，故x1。答案： (1)Fe2和 Mn2MnO43Fe27H2O=3Fe(OH)3 MnO2 5H、2MnO43Mn22H2O=5MnO24H铁离子和锰离子不能生成沉淀，从而无法除去铁和锰杂质(2) 置换反应镍(3) 取少量水洗液于试管中，滴入 12 滴稀硝酸， 再滴入硝酸钡溶液，若无白色沉淀生成，则说明沉淀已经洗涤干净(4)1 2(2016安阳模拟 ) “低碳”在工业生产中意义重大，充分利用原材料，不排放或减少排放“三废”， 不同工厂联合生产等都是很好的“低碳”生产方式。下面是几家工厂利用废气、废液、废渣联合生产化肥硫酸铵的工艺。请回答下列问题：(1) 操作为 _。(2) 工业合成氨的化学方程式为_ 。(3) 沉淀池中生成硫酸铵的化学方程式为_ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 9 _ 。(4) 在实验室中检验氨气的方法是_ _ 。(5) 副产品的化学式为_ 。该联合生产工艺中可以循环使用的物质是_。解 析 ： (1) 操 作 是 过 滤 ， 得 到 溶 液 和 沉 淀 。 (2)合 成 氨 反 应 为N23H2高温、高压催化剂2NH3。(3) 沉淀池中反应物为CaSO4、CO2、NH3、H2O ，发生的反应为 CaSO4CO22NH3H2O=CaCO3(NH4)2SO4。(4) 实验室检验氨气用玻璃棒蘸取浓盐酸，有白烟生成， 或用湿润的红色石蕊试纸检验，若试纸变蓝， 则说明含有NH3。(5) 反应生成的沉淀为 CaCO3，煅烧得到CaO ，副产物为CaO ，CO2可循环使用。答案： (1) 过滤(2)N23H2高温、高压催化剂2NH3(3)CaSO4CO22NH3H2O=CaCO3 (NH4)2SO4(4) 用湿润的红色石蕊试纸检验，若试纸变蓝，则说明含有NH3( 或用玻璃棒蘸取浓盐酸检验，若产生白烟，则含有NH3)( 其他合理答案也可) (5)CaO CO2( 若有 NH3，也可 ) 3实验室利用硫酸厂烧渣( 主要成分为铁的氧化物及少量FeS、SiO2等) 制备聚铁 ( 碱式硫酸铁的聚合物) 和绿矾 (FeSO47H2O)，主要工艺流程如下。(1) 将过程产生的气体通入下列溶液中，溶液会褪色的是_。A品红溶液B紫色石蕊试液C酸性 KMnO4溶液D溴水(2) 过程中， FeS、O2和 H2SO4反应的化学方程式为_。(3) 过程中需加入的物质是_。(4) 过 程 中 ， 蒸 发 结 晶 时 需 使 用 的 仪 器 除 酒 精 灯 、 三 脚 架 外 ， 还 需 要_。(5) 过程调节pH可选用下列试剂中的_( 填序号 ) 。A稀硫酸BCaCO3CNaOH 溶液名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 10 (6) 过程中，将溶液Z加热到 7080 ，目的是_ 。(7) 实验室为测量所得到的聚铁样品中铁元素的质量分数，进行下列实验。用分析天平称取 2.700 0 g样品；将样品溶于足量的盐酸后，加入过量的BaCl2溶液；过滤、洗涤、干燥，称重得固体质量为3.495 0 g。若该聚铁的主要成分为Fe(OH)SO4n，则该聚铁样品中铁元素的质量分数为_( 假设杂质中不含铁元素和硫元素) 。解析： SO2具有漂白性，能使品红溶液褪色，SO2有还原性，能被酸性KMnO4溶液、溴水氧化，而使它们褪色。溶液X 为 Fe2(SO4)3，需加入还原剂将Fe3还原为Fe2，又不带入杂质离子，故需加入铁粉。过程中需将酸消耗而调高pH，而 CaCO3跟硫酸反应会生成微溶于水的 CaSO4而阻止反应的继续进行，故需选用NaOH溶液。由聚铁的化学式可知：n(Fe3) n(SO24) n(BaSO4) 3.495 0 g233 g mol10.015 mol，所以聚铁样品中铁元素的质量分数0.015 mol 56 g mol12.700 0 g100% 31.1%。答案： (1)ACD (2)4FeS 3O26H2SO4=2Fe2(SO4)36H2O4S (3) 铁粉(4) 蒸发皿、玻璃棒(5)C (6) 促进 Fe3的水解(7)31.1% 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -