2019版高考化学一轮精选教师用书鲁科专用：第4章材料家族中的元素突破全国卷专题讲座（四）　无机化工流程题的解题策略

突破全国卷专题讲座(四)　无机化工流程题的解题策略
[备考分析]
化学工艺流程题是近年高考命题的热点。命题特点是将化学知识与化工生产密切联系，与化工产品成本、产品提纯、环境保护等相融合，对化工生产的综合经济效益进行分析与评价。主要考查物质的性质、制备、分离提纯等基本操作，同时考查物质结构、平衡速率理论、氧化还原反应等知识。
[解题策略]
一、物质制备类化工流程题
1．熟悉原料处理的常用方法
(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．熟悉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。
(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)使用合适的催化剂。加快反应速率，缩短达到平衡需要的时间。
(5)趁热过滤。防止某物质降温时析出。
(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。
二、提纯类化工流程题
1．物质分离提纯的原则
(1)不增：不引入新的杂质。
(2)不减：不减少被提纯的物质。
(3)易分离：被提纯物与杂质易于分离。
(4)易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成、状态。
2．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：如除去酸性铜盐溶液中的Fe3＋等。
3．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、FeSO4·7H2O等。
(5)蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。
(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。
　(1)溶解度的表示方法
①列表法
硝酸钾在不同温度时的溶解度
温度/℃
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
溶解度/g
13．3
20．9
31．6
45．8
63．9
85．5
110
138
169
202
246
②曲线法


(2)溶解度曲线的含义
①不同物质在各温度时的溶解度不同。
②曲线与曲线交点的含义：表示两物质在某温度时有相同的溶解度。
③能很快比较出两种物质在某温度时溶解度的大小。
④能反映出溶解度随温度的变化趋势。
三、工艺流程题的解题策略
1．粗读题干，挖掘图示
图示中一般会呈现超出教材范围的知识，但题目中往往会有提示或者问题中不涉及，所以一定要关注题目的每一个关键字，尽量弄懂流程图，但不必将每一种物质都推出，只需问什么推什么。如制备类无机化工题，可粗读试题，知道题目制取什么、大致流程和有什么提示等。
2．携带问题，精读信息
这里信息包括三个方面：一是主干，二是流程图示，三是设置问题。读主干抓住关键字、词；读流程图，重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。
3．跳跃思维，规范答题
答题时应注意前后问题往往没有“相关性”，即前一问未答出，不会影响后面答题。要求用理论回答的试题，应采用“四段论法”：改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论→有什么变化→得出什么结论。
4．积累常考的答题模板
(1)除杂：除去……中的……
(2)干燥：除去……气体中的水蒸气，防止……
(3)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。
(4)加热的目的：加快反应速率或促进平衡向某个方向(一般是有利于生成物生成的方向)移动。
(5)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。
(6)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、乙醇洗等)、干燥。
(7)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(如果温度下降，杂质也会以晶体的形式析出来)、洗涤、干燥。
(8)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、碱等，以避免引入新的杂质；沉淀时pH范围的确定：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。
(9)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。
(10)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。
(11)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。
(12)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。
(13)洗涤沉淀的目的：除掉附着在沉淀表面的可溶性杂质。
(14)冰水洗涤的目的：洗去晶体表面的杂质离子并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。
(15)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。
(16)蒸发、反应时的气体氛围：抑制某离子的水解，如加热蒸发AlCl3溶液时为获得AlCl3需在HCl气流中进行。
(17)事先煮沸溶液的原因：除去溶解在溶液中的氧化性气体(如氧气)，防止某物质被氧化。
[突破训练]
1．(2018·湖南六校联考)重铬酸钾是工业生产和实验室的重要氧化剂，工业上常用铬铁矿(主要成分为FeO·Cr2O3，杂质为SiO2、Al2O3)为原料生产，实验室模拟工业制法用铬铁矿制K2Cr2O7的主要工艺如图所示。涉及的主要反应是6FeO·Cr2O3＋24NaOH＋7KClO312Na2CrO4＋3Fe2O3＋7KCl＋12H2O。

(1)碱浸前将铬铁矿粉碎的作用是_________________________________________。
(2)反应器①中除发生题中所给反应外，还会发生其他反应，请任写出一个反应的化学方程式：___________________。③中调节pH为7～8所得滤渣为____________________。
(3)从平衡角度分析④中酸化的原因是________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)称取重铬酸钾试样2．500 0 g配成250 mL溶液，取出25．00 mL于碘量瓶中，向其中加入10 mL 2 mol·L－1 H2SO4溶液和足量碘化钾(铬元素转化为Cr3＋)，置于暗处5 min。然后加入100 mL水和适量淀粉溶液作指示剂，用0．120 0 mol·L－1 Na2S2O3标准溶液滴定(I2＋2S2O===2I－＋S4O)。若实验中共用去Na2S2O3标准溶液40．00 mL，则所得产品中重铬酸钾的纯度为(设整个过程中其他杂质不参加反应)________。(保留两位有效数字)
解析：(1)碱浸前将铬铁矿粉碎，可以增大接触面积，从而加快反应速率，使反应更充分。(2)除题给反应外，还能发生的反应有SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Al2O3＋2NaOH＋3H2O===2Na[Al(OH)4]，SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，Al2O3＋Na2CO3＋4H2O===2Na[Al(OH)4]＋CO2↑。充分反应后过滤，由于滤液中含有Na2SiO3和Na[Al(OH)4]，调节pH为7～8，使SiO和[Al(OH)4]－分别生成H2SiO3沉淀和Al(OH)3沉淀而除去。(3)CrO在酸性条件下可转化成Cr2O：2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，酸化时，增大了H＋浓度，平衡向右移动，促使CrO转化为Cr2O。(4)根据题意知：Cr2O2Cr3＋，2I－I2，根据得失电子守恒，存在K2Cr2O7～3I2～6S2O，故试样中n(K2Cr2O7)＝×n(S2O)×＝×0．120 0 mol·L－1×40．00×10－3 L×＝8×10－3 mol，m(K2Cr2O7)＝8×10－3 mol×294 g·mol－1＝2．352 g，故K2Cr2O7的纯度为×100%＝94%。
答案：(1)增大接触面积，加快反应速率(或增大接触面积，加快反应速率，使反应进行更充分)
(2)SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑{或Al2O3＋Na2CO3＋4H2O===2Na[Al(OH)4]＋CO2↑或SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O或Al2O3＋2NaOH＋3H2O===2Na[Al(OH)4]}　Al(OH)3、H2SiO3[或Al(OH)3、H4SiO4]
(3)2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，酸化时，增大了H＋浓度，平衡向右移动
(4)94%(或0．94)
2．(2016·高考全国卷Ⅲ，28，14分)以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为
物质
V2O5
V2O4
K2SO4
SiO2
Fe2O3
Al2O3
质量分数/%
2．2～2．9
2．8～3．1
22～28
60～65
1～2
<1
以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：

回答下列问题：
(1)“酸浸”时V2O5转化为VO，反应的离子方程式为________________________________，同时V2O4转化成VO2＋。“废渣1”的主要成分是__________。
(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2＋变为VO，则需要氧化剂KClO3至少为________mol。
(3)“中和”作用之一是使钒以V4O形式存在于溶液中。“废渣2”中含有________________________________________________________________________。
(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为4ROH＋V4OR4V4O12＋4OH－(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈________性(填“酸”“碱”或“中”)。
(5)“流出液”中阳离子最多的是________。
(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
解析：(1)反应过程中V的化合价不变，所以是复分解反应。注意V2O5在离子方程式中不能拆开；废钒催化剂中，只有二氧化硅不溶于硫酸，成为废渣1的主要成分。(2)3 mol VO2＋变为VO，共失去3 mol电子，而1 mol ClO变为Cl－得到6 mol电子，所以需要0．5 mol氯酸钾。(3)中和时，Fe3＋、Al3＋分别转化为难溶的Fe(OH)3和Al(OH)3，成为废渣2的主要成分。(4)为提高洗脱效率，需使题中所述平衡逆向移动。根据平衡移动原理，碱性越强越有利于平衡逆向移动，所以淋洗液应该呈碱性。(5)经过“离子交换”，钒以R4V4O12形式存在，而铁、铝则在“中和”过程中转化为沉淀，所以“流出液”中最多的阳离子是钾离子。(6)由NH4VO3转化为V2O5，V的化合价未发生变化，该反应为非氧化还原反应，所以N的化合价仍为－3，一种生成物是NH3，另一种生成物必定是H2O。
答案：(1)V2O5＋2H＋===2VO＋H2O　SiO2
(2)0．5
(3)Fe(OH)3和Al(OH)3
(4)碱
(5)K＋
(6)2NH4VO3V2O5＋2NH3↑＋H2O↑
3．以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。其工作流程如下：

(1)过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是________________________________________________________________________。
(2)过程Ⅰ中，Fe2＋催化过程可表示为
ⅰ．2Fe2＋＋PbO2＋4H＋＋SO===2Fe3＋＋PbSO4＋2H2O
ⅱ．……
①写出ⅱ的离子方程式：________________________________________________。
②下列实验方案可证实上述催化过程。将实验方案补充完整。
a．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。
b．________________________________________________________________________。
(3)PbO溶解在NaOH溶液中，存在平衡：PbO(s)＋NaOH(aq)NaHPbO2(aq)，其溶解度曲线如图所示。

①过程Ⅱ的目的是脱硫。滤液1经处理后可在过程Ⅱ中重复使用，其目的是________(选填序号)。
A．减少PbO的损失，提高产品的产率
B．重复利用NaOH，提高原料的利用率
C．增加Na2SO4浓度，提高脱硫效率
②过程Ⅲ的目的是提纯。结合上述溶解度曲线，简述过程Ⅲ的操作：________________________________________________________________________。
解析：(1)根据题给化学工艺流程知，过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb、PbO2和H2SO4反应生成PbSO4和水，化学方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。(2)①催化剂通过参加反应，改变反应历程，降低反应的活化能，加快化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后保持不变。根据题给信息知，反应ⅰ中Fe2＋被PbO2氧化为Fe3＋，则反应ⅱ中Fe3＋被Pb还原为Fe2＋，离子方程式为2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋。②a实验证明发生了反应ⅰ，则b实验须证明发生了反应ⅱ，实验方案为取a中红色溶液少量，加入过量铅粉，充分反应后，红色退去。(3)①过程Ⅱ的目的是脱硫，操作过程中会加入过量的NaOH，通过题给条件可知，部分PbO溶解在NaOH溶液中，故滤液1中会有过量的NaOH和PbO溶解在NaOH溶液中产生的NaHPbO2，重复使用滤液1，可减少PbO的损失，提高产率，且NaOH也得到了重复利用，提高了原料的利用率。②过程Ⅲ是从粗产品中得到纯产品，结合溶解度曲线，可选用重结晶操作。根据条件可知，粗品中含有炭黑，需要趁热过滤，然后冷却结晶，过滤得到纯产品。
答案：(1)Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(2)①2Fe3＋＋Pb＋SO===2Fe2＋＋PbSO4
②取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，红色退去
(3)①AB　②向PbO粗品中加入一定量的35%NaOH溶液，加热至110 ℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤得到PbO固体
4．(2018·厦门模拟)新型高效絮凝剂Fe(OH)SO4(碱式硫酸铁)常用于污水处理。工业上利用废铁屑(含少量氧化铝、氧化铁等)生产碱式硫酸铁的工艺流程如图所示：

已知：部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如表所示：
沉淀物
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Al(OH)3
开始沉淀时的pH
2．3
7．5
3．4
完全沉淀时的pH
3．2
9．7
4．4
请回答下列问题：
(1)加入少量NaHCO3的目的是调节溶液的pH，使溶液中的________沉淀，该工艺中“搅拌”的作用是____________________________。
(2)在实际生产中，反应Ⅱ常同时通入O2以减少NaNO2的用量，O2与NaNO2在反应中均作________。若参与反应的O2有11．2 L(标准状况)，则相当于节约NaNO2的物质的量为________。
(3)碱式硫酸铁溶于水后产生的[Fe(OH)]2＋可部分水解生成[Fe2(OH)4]2＋聚合离子。该水解反应的离子方程式为______________________________________________。
(4)在医药上常用硫酸亚铁与硫酸、硝酸的混合液反应制备碱式硫酸铁。根据我国该药物的相关质量标准，产品中不得含有Fe2＋和NO。为检验所得产品中是否含有Fe2＋，应使用的试剂为________(填序号)。
A．氯水　　　　　　　 B．KSCN溶液
C．NaOH溶液 D．酸性KMnO4溶液
解析：(1)稀硫酸浸取废铁屑后所得的溶液中含Fe2＋和少量Al3＋，根据工艺流程可知该步操作是保留Fe2＋，除去Al3＋，故加入少量NaHCO3调节溶液pH可以使Al3＋沉淀，“搅拌”可以加快化学反应速率。
(2)反应Ⅱ中有NO生成，这说明反应中亚硝酸钠是氧化剂，将亚铁离子氧化生成了铁离子，反应的离子方程式为Fe2＋＋NO＋2H＋===Fe3＋＋NO↑＋H2O；由于要将亚铁离子氧化为铁离子，所以O2与NaNO2在反应中均作为氧化剂；标准状况下11．2 L氧气的物质的量是11．2 L÷22．4 L/mol＝0．5 mol，0．5 mol氧气可以得到2 mol电子。亚硝酸钠中氮元素的化合价是＋3价，其还原产物中氮元素的化合价是＋2价，得到1个电子，所以根据电子守恒可知，相当于是节约了2 mol亚硝酸钠。
(3)[Fe(OH)]2＋离子可部分水解生成[Fe2(OH)4]2＋聚合离子，则根据电荷守恒可知一定还有氢离子生成，所以该水解反应的离子方程式为2[Fe(OH)]2＋＋2H2O[Fe2(OH)4]2＋＋2H＋。
(4)因产品中含Fe3＋，检验Fe2＋时不能采用加氯水和KSCN溶液的方法，也不能加NaOH溶液，Fe(OH)3会对检验Fe2＋产生干扰；可以用酸性KMnO4溶液检验Fe2＋的存在，如含Fe2＋，则滴入几滴酸性KMnO4溶液后，溶液紫红色会退去。
答案：(1)Al3＋　加快化学反应速率　(2)氧化剂　2 mol
(3)2[Fe(OH)]2＋＋2H2O[Fe2(OH)4]2＋＋2H＋　(4)D