2021年高考化学一轮复习讲义 第8章 专题讲座六　无机化工流程题的解题策略

专题讲座六　无机化工流程题的解题策略

考纲研读　1.培养从试题提供的新信息中，准确地提取实质性内容，并与已有知识块整合，重组为新知识块的能力。2.培养将实际问题分解，通过运用相关知识，采用分析、综合的方法，解决简单化学问题的能力。3.培养将分析和解决问题的过程及成果，用正确的化学术语及文字、图表、模型、图形等表达，并做出解释的能力。

一、工业流程题的结构

二、工业流程题分类突破

题型一　物质制备类化工流程题

1．核心反应——陌生方程式的书写

关注箭头的指向：箭头指入→反应物，箭头指出→生成物。

(1)氧化还原反应：熟练应用氧化还原规律，①判断产物，②根据化合价升降相等配平。

(2)非氧化还原反应：结合物质性质和反应实际判断产物。

2．原料的预处理

(1)溶解：通常用酸溶。如用硫酸、盐酸等。

(2)灼烧、焙烧、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。

(3)审题时要“瞻前顾后”，注意物质性质及反应原理的前后联系。

3．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：

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、CuCO3、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。

[例1]　(2016·全国卷Ⅰ，28)NaClO2是一种重要的杀菌消毒剂，也常用来漂白织物等，其一种生产工艺如下：

回答下列问题：

(1)NaClO2中Cl的化合价为________。

(2)写出“反应”步骤中生成ClO2的化学方程式：_______________________________

________________________________________________________________________。

(3)“电解”所用食盐水由粗盐水精制而成，精制时，为除去Mg2＋和Ca2＋，要加入的试剂分别为________、________。“电解”中阴极反应的主要产物是________。

(4)“尾气吸收”是吸收“电解”过程排出的少量ClO2。此吸收反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为______，该反应中氧化产物是________。

(5)“有效氯含量”可用来衡量含氯消毒剂的消毒能力，其定义是：每克含氯消毒剂的氧化能力相当于多少克Cl2的氧化能力。NaClO2的有效氯含量为________。(计算结果保留两位小数)

[解题流程]

第一步：读题目，明确目的——制备NaClO2

第二步：审流程，分块破题——拆分工艺流程

第三步：看设问，结合题中的问题，回到流程图中找答案。

[得分秘籍]

(1)设问一般相对独立，无连带效应，一个问题解决不了不会影响下一个问题的解决。

(2)题中基本上都有与流程无关的问题，可直接作答；对于超纲知识，题目中要么有信息提示，要么与解答题目无关。

答案　(1)＋3　(2)2NaClO3＋H2SO4＋SO2===2NaHSO4＋2ClO2

(3)NaOH溶液　Na2CO3溶液　ClO(或NaClO2)　(4)2∶1　O2　(5)1.57

题型二　提纯类化工流程题

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，如从溶液中提取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。

[例2]　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]＝4.0×10－38。

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＝3，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。

答案　(1)将工业级氧化锌粉碎、搅拌(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

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)加入锌粉的目的应为：①消耗溶液中的H＋，调节溶液pH，除去氧化时未完全沉淀的Fe3＋；②将Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋还原为单质而除去。(4)①c(Fe3＋)＝＝1.0×10－5 mol·L－1，此时溶液中c(OH－)＝1.0×10－11 mol·L－1，c(Fe3＋)·c3(OH－)＝1.0×10－38＜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Fe3＋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－1＝7.9 g。

1．(2020·原创预测卷九)甘氨酸亚铁[(NH2CH2COO)2Fe]是新一代畜禽饲料补铁添加剂。某实验小组以硫酸亚铁为铁源制备甘氨酸亚铁，其简要流程如下。

已知相关物质的信息如下：

回答下列问题：

(1)步骤(a)中加入铁粉的作用是______________________________________________；

写出生成沉淀的化学方程式：________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)步骤(b)中为了提高甘氨酸亚铁的产率，需要控制溶液的pH在5.5～6.0之间，pH过低甘氨酸亚铁产率将下降，其原因为____________________________________________；

柠檬酸的作用包括________(填字母)。

A．调节溶液的pH

B．除去步骤(a)中加入的铁粉

C．防止Fe2＋被氧化

D．促进沉淀的溶解，加快反应速率

(3)步骤(b)中趁热过滤的目的是_____________________________________________。

(4)步骤(c)中加入乙醇的目的是_____________________________________________。

(5)产品中Fe2＋含量的检测：称取m g样品溶解于适量蒸馏水中，配制成100.0 mL溶液。用移液管取出25.00 mL溶液于锥形瓶中，向其中加入一定量混酸X进行酸化，用c mol·L－1的KMnO4标准溶液滴定至终点，消耗KMnO4溶液的体积为V mL。

①混酸X可以是________(填字母)。

A．HCl和H2SO4   B．HCl和H3PO4

C．H2SO4和H3PO4   D．H2SO4和HNO3

E．HCl和HNO3

②滴定终点的现象为________________________________________________________

________________________________________________________________________。

③据此计算Fe2＋的质量分数为______________________________________________。

答案　(1)防止Fe2＋被氧化

FeSO4＋2NH4HCO3===FeCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑

(2)H＋会与NH2CH2COOH反应，不利于甘氨酸亚铁的生成　ACD

(3)除去铁粉，减少因温度降低甘氨酸亚铁析出带来的损失

(4)降低甘氨酸亚铁的损失

(5)①C　②当滴入最后一滴标准溶液时，溶液变为紫色或浅紫色，且半分钟内不变色　③×100%

解析　(1)Fe2＋在空气中易被氧化，加入Fe粉可防止其被氧化；Fe2＋与HCO电离出的CO结合，H＋再和过量的HCO反应生成CO2。

(2)NH2CH2COOH中有碱性基团—NH2，可以和H＋反应，故pH应控制在5.5～6.0之间。

(4)甘氨酸亚铁难溶于乙醇，加入乙醇可降低其损失。

(5)①HCl有还原性、HNO3有氧化性，两者都会影响滴定结果，故选C；③由关系式MnO～5Fe2＋可得n(Fe2＋)＝5cV×10－3mol，则Fe2＋的质量分数为×100%＝×100%。

2．(2019·山东德州一模)金属Co、Ni性质相似，在电子工业以及金属材料上应用十分广泛。现以含钴、镍、铝的废渣(含主要成分为CoO、Co2O3、Ni、少量杂质Al2O3)提取钴、镍的工艺如下：

(1)酸浸时SO2的作用是_________________________________________________。

(2)除铝时加入碳酸钠产生沉淀的离子方程式：_________________________________

________________________________________________________________________。

(3)有机层提取出的Ni2＋可用于制备氢镍电池，该电池工作原理：NiOOH＋MHNi(OH)2＋M，电池放电时正极的电极反应式为_______________________________________。

(4)用CoCO3为原料采用微波水热法和常规水热法均可制得H2O2分解的高效催化剂CoxNi(1－x)Fe2O4(其中Co、Ni均为＋2价)。如图是用两种不同方法制得的CoxNi(1－x)Fe2O4在10 ℃时催化分解6%的H2O2溶液的相对初始速率随x变化曲线。

①H2O2的电子式________________。

②由图中信息可知：________法制取的催化剂活性更高。

③Co2＋、Ni2＋两种离子中催化效果更好的是________。

(5)已知煅烧CoCO3时，温度不同，产物不同。在400 ℃充分煅烧CoCO3，得到固体氧化物的质量为2.41 g，CO2的体积为0.672 L(标准状况下)，则此时所得固体氧化物的化学式为__________。

答案　(1)还原剂(或将Co3＋还原为Co2＋)

(2)2Al3＋＋3CO＋3H2O===2Al(OH)3↓＋3CO2↑

(3)NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－

(4)①　②微波水热　③Co2＋

(5)Co3O4

解析　(1)从流程图可知，在酸浸过程中Co2O3转化为Co2＋，故SO2为还原剂。

(2)Al3＋与CO会发生相互促进的水解反应生成Al(OH)3沉淀和CO2气体：2Al3＋＋3CO＋3H2O===2Al(OH)3↓＋3CO2↑。

(3)从电池的总反应方程式可知，该电池为碱性电池，放电过程中正极NiOOH转化为Ni(OH)2：NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－。

(4)②从图像可知，微波水热法制取的催化剂的催化效果更好。③x值越大，Co2＋的含量越大，H2O2分解的相对初始速率越大，故Co2＋的催化效果更好。

(5)根据元素守恒，n(Co)＝n(CO2)＝＝0.03 mol，m(Co)＝0.03 mol×59 g·mol－1＝1.77 g；该氧化物中氧原子的质量；m(O)＝2.41 g－1.77 g＝0.64 g，n(O)＝＝0.04 mol，所以该氧化物的化学方程式为Co3O4。

3．软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Fe2O3、MgO、Al2O3、CaO、SiO2等杂质，工业上用软锰矿制取MnSO4·H2O的流程如下：

已知：①部分金属阳离子完全沉淀时的pH如下表

②温度高于27 ℃时，MnSO4晶体的溶解度随温度的升高而逐渐降低。

(1)“浸出”过程中MnO2转化为Mn2＋的离子方程式为

________________________________________________________________________。

(2)第1步除杂中加入H2O2的目的是_________________________________________。

(3)第1步除杂中形成滤渣1的主要成分为__________(填化学式)，调pH至5～6所加的试剂，可选择________(填字母)。

a．CaO  b．MgO  c．Al2O3  d．氨水

(4)第2步除杂，主要是将Ca2＋、Mg2＋转化为相应氟化物沉淀除去，写出MnF2除去Mg2＋的离子方程式：

________________________________________________________________________，

该反应的平衡常数数值为________。

(已知：MnF2的Ksp＝5.3×10－3；CaF2的Ksp＝1.5×10－10；MgF2的Ksp＝7.4×10－11)

(5)采用“趁热过滤”操作的原因是__________________________________________。

(6)取少量MnSO4·H2O溶于水，配成溶液，测其pH发现该溶液显酸性，原因是_________________________________________________________(用离子方程式表示)。

答案　(1)MnO2＋SO2===SO＋Mn2＋

(2)将Fe2＋氧化为Fe3＋

(3)Al(OH)3、Fe(OH)3　ab

(4)MnF2＋Mg2＋Mn2＋＋MgF2　7.2×107

(5)减少MnSO4·H2O在水中的溶解，得到更多产品

(6)Mn2＋＋2H2OMn(OH)2＋2H＋

解析　(1)“浸出”过程中MnO2与SO2发生氧化还原反应，离子方程式为MnO2＋SO2===SO＋Mn2＋。

(2)第1步除杂中加入H2O2的目的是将溶液中的Fe2＋氧化为Fe3＋，以便于形成Fe(OH)3沉淀，过滤将沉淀除去。

(3)第1步除杂时调整溶液的pH在5～6，可以使溶液中的Al3＋、Fe3＋分别形成Al(OH)3、Fe(OH)3沉淀，所以形成滤渣1的主要成分为Al(OH)3、Fe(OH)3；在调pH至5～6时，为了不引入新的杂质离子，所加的试剂应该可以与酸发生反应，可选择含有Ca2＋、Mg2＋的化合物CaO、MgO，a、b正确。

(4)第2步除杂，主要是将Ca2＋、Mg2＋转化为相应的氟化物沉淀除去，MnF2除去Mg2＋的离子方程式是MnF2＋Mg2＋Mn2＋＋MgF2；该反应的平衡常数K＝＝＝≈7.2×107。

(5)由已知②温度高于27 ℃时，MnSO4晶体的溶解度随温度的升高而逐渐降低，故采用“趁热过滤”操作可以减少MnSO4·H2O在水中的溶解，得到更多产品。

(6)MnSO4是强酸弱碱盐，Mn2＋发生水解反应。