人教版高考化学一轮总复习高考专题讲座2突破化学工艺流程题课时学案

 (二)突破化学工艺流程题

化学工艺流程题是近几年高考必考的题型之一，以实际的工业生产过程为背景，用流程图的形式表示实际生产环节和过程，并根据生产流程考查相关化学知识和基本技能，其工艺流程图模式如图所示

[注意]　工艺流程图中，箭头指出是原料，箭头指向是产物。主线主产品、分支副产品、回头为循环。

常见的设问角度有：(1)化学方程式或离子方程式的书写。(2)物质成分的判断。(3)除杂试剂的选择。(4)物质分离提纯操作。(5)反应条件的控制。(6)产率的计算、纯度的计算。

类型一　以除杂、分离、提纯为主体的化工流程题

1．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：如除去酸性溶液中的Fe3＋等。

2．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、易分解的物质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。

(5)蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇或甘油。

(6)冷却法：利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离平衡混合气体中的氨气。

(2020·焦作模拟)高纯活性氧化锌可用于光催化、光电极、彩色显影等领域。以工业级氧化锌(含Fe2＋、Mn2＋、Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等)为原料，用硫酸浸出法生产高纯活性氧化锌的工艺流程如下：

已知Ksp[Fe(OH)3]＝2.8×10－39。

回答下列问题：

(1)浸出时，为了提高浸出效率可采用的措施有(写两种)：________________

____________________________________________________________________。

(2)氧化时，加入KMnO4溶液是为了除去浸出液中的Fe2＋和Mn2＋(溶液中Mn全部转化为MnO2)，请配平下列除去Fe2＋的离子方程式：

MnO＋Fe2＋＋________===

MnO2↓＋Fe(OH)3↓＋H＋。

(3)加入锌粉的目的是______________________________________________

____________________________________________________________________。

(4)已知H2SO4浸出液中，c(Fe2＋)＝5.04 mg·L－1、c(Mn2＋)＝1.65 mg·L－1。

①加入KMnO4溶液反应一段时间后，溶液中c(Fe3＋)＝0.56 mg·L－1，若溶液pH＝2，则此时Fe3＋________(填“能”或“不能”)生成沉淀。

②若要除尽1 m3上述浸出液中的Fe2＋和Mn2＋，需加入________g KMnO4。

解析：(1)为了提高浸出效率，可以适当增大硫酸浓度、搅拌、将固体粉碎、提高浸出温度等。(2)锰元素由＋7价降低到＋4价，而铁元素由＋2价升高到＋3价，根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒配平方程式。(3)加入锌粉的目的是消耗溶液中的H＋，调节溶液pH，促进溶液中的Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等形成沉淀而除去。(4)①c(Fe3＋)＝＝1.0×10－5 mol/L，此时溶液中c(OH－)＝1.0×10－12 mol/L，c(Fe3＋)·c3(OH－)＝1.0×10－41＜Ksp[Fe(OH)3]，故不能生成Fe(OH)3沉淀。②加入KMnO4将Fe2＋和Mn2＋分别氧化为 Fe(OH)3 和MnO2，而KMnO4被还原为MnO2，根据得失电子守恒可知，加入KMnO4的质量为

×158 g/mol＝7.9 g。

答案：(1)将工业级氧化锌粉碎、搅拌，增大硫酸浓度(其他合理答案也可)　(2)1　3　7　H2O　1　3　5　(3)调节溶液pH，除去溶液中的Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等　(4)①不能　②7.9

化工流程问题中分离、提纯的考查

(1)增大原料浸出率(离子在溶液中的含量多少)的措施：搅拌、升高温度、延长浸出时间、增大气体的流速(浓度、压强)，增大气液或固液接触面积。

(2)温度不高于×× ℃的原因：适当加快反应速率，但温度过高会造成挥发(如浓硝酸)、分解(如H2O2、NH4HCO3)、氧化(如Na2SO3)或促进水解(如AlCl3)等，影响产品的生成。

(3)从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法：蒸发浓缩(至少有晶膜出现)、冷却结晶、过滤、洗涤(冰水洗、热水洗、乙醇洗)、干燥。

(4)从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法：蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥，如果温度下降，杂质也会以晶体的形式析出来。

(5)控制某反应的pH使某些金属离子以氢氧化物的形式沉淀，调节pH所用试剂为主要元素对应的氧化物、碳酸盐、碱，以避免引入新的杂质；pH分离时的范围确定：范围过小导致某离子沉淀不完全，范围过大导致主要离子开始沉淀。

(6)减压蒸馏(减压蒸发)的原因：减小压强，使液体沸点降低，防止(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)受热分解、挥发。

(7)检验溶液中离子是否沉淀完全的方法：将溶液静置一段时间后，向上层清液中滴入沉淀剂，若无沉淀生成，则离子沉淀完全。

(8)洗涤沉淀：沿玻璃棒往漏斗中加蒸馏水至液面浸没沉淀，待水自然流下后，重复操作2～3次。

(9)检验沉淀是否洗涤干净的方法：取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴入某试剂，若未出现特征反应现象，则沉淀洗涤干净。

10乙醇洗涤的目的：降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，得到较干燥的产物，同时乙醇易挥发，便于产品干燥。

类型二　以物质制备为主体的化工流程题

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)溶解

①水浸——与水接触反应或溶解。

②酸浸——与酸接触反应或溶解，使可溶性金属进入溶液，不溶物通过过滤除去。

(3)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。

(4)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．控制反应条件的常用方法

(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：①能与H＋反应，使溶液pH增大；②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)趁热过滤。防止某物质降温时会析出。

(4)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。

(2019·全国卷Ⅰ)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：

回答下列问题：

(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉，产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为__________________________________________________________________。

(2)“滤渣1”的主要成分有________。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3＋，可选用的化学试剂是________。

(3)根据H3BO3的解离反应：H3BO3＋H2OH＋＋B(OH)，Ka＝5.81×10－10，可判断H3BO3是________酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是__________________________________________________________________。

(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为________________________________________________________________，

母液经加热后可返回________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是_______________________________________________________________。

解析：(1)硼镁矿粉中加入(NH4)2SO4溶液反应生成NH3，氨气与碳酸氢铵溶液反应的化学方程式为NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3。(2)硼镁矿中的SiO2、Fe2O3、Al2O3与(NH4)2SO4溶液不反应，也不溶解，过滤后形成滤渣1。因为KSCN溶液遇Fe3＋变为红色，所以KSCN溶液常用于Fe3＋的检验。(3)根据题目信息中H3BO3的电离方程式和Ka的数值可知H3BO3为一元弱酸。在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是将溶液中的B(OH)转化为H3BO3沉淀析出。(4)根据工艺流程中的原料进入情况及生成情况可知，“沉镁”时加入的原料为(NH4)2CO3溶液、MgSO4溶液，产物为Mg(OH)2·MgCO3，因此反应的离子方程式为2Mg2＋＋3CO＋2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2HCO或2Mg2＋＋2CO＋H2O=== Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑。母液的主要成分为硫酸铵，可以返回到“溶浸”工序循环使用。碱式碳酸镁热稳定性差，可以在高温焙烧的条件下制取氧化镁，化学方程式为Mg(OH)2·MgCO32MgO＋CO2↑＋H2O。

答案：(1)NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3

(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN

(3)一元弱　使B(OH)转化为H3BO3，促进析出

(4)2Mg2＋＋3CO＋2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2HCO[或2Mg2＋＋2CO＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑]　溶浸　高温焙烧

解答化工流程题的审题步骤及思考方向

1．审题步骤

2．常见问题的思考方向

(1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发、物质的不稳定性和物质的转化平衡移动等。

(2)“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、产率等。

(3)“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或是否影响产品的纯度。

(4)“在空气中或在其他气体中”——主要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或达到防氧化、防水解、防潮解等目的。

(5)“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试管中，向其中滴加某试剂，以检验其中的某种离子。

(6)“检验某物质的设计方案”——通常取少量某液体于试管中，加入另一试剂产生某现象，然后得出结论。

(7)“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。

(8)“用某些有机试剂清洗”——常考虑降低物质溶解度有利于析出、减少损耗和提高利用率等。

[题组训练]

1．(2021·济南模拟)高纯碳酸锰在电子工业中有重要的应用，湿法浸出软锰矿(主要成分为MnO2，含少量Fe、Al、Mg等杂质元素)制备高纯碳酸锰的实验过程如下，其中除杂过程包括：①向浸出液中加入一定量的试剂X，调节浸出液的pH为3.5～5.5；②再加入一定量的软锰矿和双氧水，过滤；③已知室温下：Ksp[Mg(OH)2]＝5.6×10－12，Ksp[Al(OH)3]＝3.0×10－34，Ksp[Fe(OH)3]＝2.8×10－39。下列说法正确的是(　　)

A．试剂X可以是MnO、MnO2、MnCO3等物质

B．除杂过程中调节浸出液的pH为3.5～5.5可完全除去Fe、Al、Mg等杂质

C．浸出时加入植物粉的作用是作为还原剂

D．为提高沉淀MnCO3步骤的速率可以持续升高温度

C　解析：试剂X可以是MnO、MnCO3等物质，目的是调节溶液pH，利于生成氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，且不引入新杂质，但不用MnO2，因为MnO2不能与酸反应，故A错误；Mg(OH)2完全沉淀时，c(OH－)＝mol/L＝×10－3.5mol/L，则pH为3.5～5.5时不能除去Mg杂质，故B错误；加入植物粉是一种还原剂，使Mn元素化合价由＋4价降低为＋2价，故C正确；持续升高温度，可使碳酸锰分解，故D错误。

2．(2020·济宁模拟)草酸亚铁(FeC2O4)作为一种化工原料，可广泛用于新型电池材料、感光材料的生产。以炼钢厂的脱硫渣(主要成分是Fe2O3)为原料生产电池级草酸亚铁晶体的工艺流程如图：

(1)如图是反应温度、加料时间及分散剂的质量分数对草酸亚铁纯度的影响：

从图像可知，制备电池级草酸亚铁晶体的最佳实验条件是____________________________________________________________________。

(2)写出“还原”过程中既是化合反应又是氧化还原反应的离子方程式：____________________________________________________________________。

(3)滤渣2中含有TiOSO4，进行热水解可以生成不溶于水的TiO2·H2O，该反应的化学方程式为_____________________________________________________

____________________________________________________________________。

(4)流程图中“滤液”经处理后得到一种化肥，其化学式为________。“一系列操作”指_______________________________________________________。

(5)草酸亚铁晶体(FeC2O4·2H2O)纯度的测定

①准确称取m g草酸亚铁晶体样品，溶于30 mL 2 mol/L H2SO4溶液中，在60～80 ℃水浴加热，用100 mL容量瓶配成100.00 mL溶液。

②取20.00 mL溶液，用KMnO4标准溶液(浓度为c mol/L)滴定至终点，消耗V1 mL。

③向滴定后的溶液中加入适量锌粉，用试剂X检验Fe3＋至极微量，过滤，洗涤，洗涤液并入滤液中。

④继续用KMnO4标准溶液(浓度为c mol/L)滴定至终点，消耗V2  mL。

在②中溶液中发生2MnO＋5H2C2O4＋6H＋===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O，还有另一氧化还原反应，写出其离子方程式：________________________________，

步骤③中检验其中微量的Fe3＋的试剂X的名称是________溶液，草酸亚铁晶体的纯度为________(用含c、V1、V2的式子表示)。

解析：脱硫渣(主要成分为 Fe2O3)用硫酸溶解，过滤除去不溶物，滤液中主要含有硫酸铁、硫酸等，加入铁粉还原得到硫酸亚铁，过滤分离，滤液中通入氨气，得到氢氧化亚铁沉淀，过滤分离，滤液中含有硫酸铵，氢氧化亚铁与草酸化合得到草酸亚铁，再经过过滤、洗涤、干燥得到草酸亚铁晶体。(1)从图像可知，在反应温度为40 ℃时纯度最高，在加料时间为 25 min、分散剂的质量分数为20%时纯度最高。(2)“还原”过程中反应的离子方程式还有：Fe＋2Fe3＋===

3Fe2＋。(3)TiOSO4热水解生成TiO2·H2O沉淀，还生成硫酸，反应方程式为TiOSO4＋2H2O===TiO2·H2O↓＋H2SO4。(4)滤液中含有硫酸铵，经处理后得到一种农业上常用的化肥，过滤后，再经过洗涤、干燥得到草酸亚铁晶体。(5)亚铁离子也会与高锰酸根离子发生氧化还原反应，高锰酸根离子被还原为Mn2＋，离子方程式为MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O；检验微量的Fe3＋的试剂为硫氰化钾溶液；根据反应MnO＋8H＋＋5Fe2＋===5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O，有关系式：5FeC2O4·2H2O～5Fe2＋～MnO，则n(FeC2O4·2H2O)＝5n(MnO)。

答案：(1)反应温度为40 ℃、加料时间为 25 min、分散剂的质量分数为20%　(2)Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋

(3)TiOSO4＋2H2O===TiO2·H2O↓＋H2SO4

(4)(NH4)2SO4　　洗涤、干燥　

(5)MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O　硫氰化钾　×100%