2020版《名师导学》高考新课标化学第一轮总复习讲义：大题突破（二）　化学工艺流程


大题突破(二)　化学工艺流程
(对应复习讲义第172页)
[题型解读]
1．呈现形式
化学工艺流程题由题引、题干和题设三部分构成。
(1)制备型题型特点

(2)提纯型题型特点

2．设问方式
题引一般简单介绍该工艺生产流程的原材料和生产目的、产品(包括副产品)；题干以工业生产实际为主要背景，以文字、工艺流程图、表格相结合的形式呈现；题设主要是根据生产过程中涉及的化学知识步步设问，形成与化工生产紧密联系的化工工艺试题，主要涉及原料的选择、循环利用、绿色化学、环境保护、分离提纯、反应原理、实验操作、产率计算等。
3．考查风格
试题陌生度高，以陌生的新物质为背景，贴近工业生产(如会出现更多的工业术语和设备名称等)，试题文字信息量大，综合性强，对能力要求高。
[解题指导]
1．解题思路
(1)粗读题干，挖掘图示
关注关键字，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)结合问题，精读信息
抓三方面：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。
2．析题关键
(1)看原料：明确化工生产或化学实验所需的材料。
(2)看目的：把握题干中的“制备”或“提纯”等关键词，确定化工生产或化学实验的目的。
(3)看箭头：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)。
(4)看三线：主线主产品；分支副产品；回头为循环。
(5)找信息：明确反应条件控制和分离提纯方法。
(6)关注所加物质的可能作用：参与反应、提供反应氛围、满足定量要求。
3．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。
类型1　制备型工艺流程题
1．物质制备过程的条件控制
(1)控制体系的环境氛围
①需要在酸性气流中干燥FeCl3、AlCl3、MgCl2等含水晶体，抑制水解并带走因分解产生的水汽。
②营造还原性氛围，防止还原性物质被氧化。如加入铁粉防止Fe2＋被氧化。
③加入氧化剂进行氧化。如加入绿色氧化剂H2O2将Fe2＋氧化转化为Fe3＋，绿色氧化剂H2O2的优点：不引入新杂质，对环境无污染。
(2)控制反应温度
①加热：加速溶解、加快反应速率或促进平衡向某个方向移动(如促进水解生成沉淀)。
②降温：防止某物质在某温度时会溶解或分解，或促进平衡向某个方向移动。
③控制温度在一定范围内：综合多方面因素考虑。如使反应速率不至于太慢、抑制或促进平衡移动、防止反应物分解、防止副反应发生、使催化剂的催化活性最高等。
④如题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要根据它们溶解度随温度升高而改变的情况，寻找合适的结晶分离方法。
2．在流程题中，常会看到压强、温度等外界条件的出现，不同的工艺对化学反应的温度或压强有不同的要求，其所起的作用也不一样，但都是能否达到实验目的的关键所在，也是命题专家们经常考查的地方。对外界条件的分析主要从对反应速率和平衡转化率的影响这两个方面着手。如
①使催化剂的活性达到最高：如工业合成氨或SO2的催化氧化反应，选择的温度是500 ℃左右，原因之一就是这样可使催化剂的活性达到最高。
②对于一些工艺来说，降温或减压都可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的目的。
[典例示范]
　 (2017·全国卷Ⅰ，27) Li4Ti5O12和LiFePO都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿②(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备。工艺流程如下：

回答下列问题：
(1)“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如下图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时④，所采用的实验条件为________。

(2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl2－形式存在，写出相应反应的离子方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示：

温度/℃
30
35
40
45
50
TiO2·xH2O
转化率/%
92
95
97
93
88
分析40 ℃时TiO2·xH2O转化率最高⑥的原因__________________________________。
(4)Li2 Ti5O15中Ti的化合价为＋4，其中过氧键的数目为________。
(5)若“滤液②”中c(Mg2＋)＝0.02 mol·L－1，加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍)⑦，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5 mol·L－1，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？________________________________________________________________________
(列式计算)⑦。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10－22、1.0×10－24。
(6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式________________________________________________________________________。
　①明确生产目的：利用钛铁矿为原料制备Li4Ti5O12和LiFePO4。
②明确原料：明确原料的主要成分是FeTiO3和杂质成分是MgO、SiO2；MgO可以与酸反应而SiO2不溶于酸。
③关注核心反应：盐酸酸浸(哪些物质与酸反应，哪些物质不溶于酸等)、双氧水氧化(氨水存在时哪些离子被氧化、磷酸存在时哪些离子被氧化)、高温煅烧(反应物、反应条件和生成物)等。
④识图像：坐标含义(横坐标是时间、纵坐标是铁的浸出率、等温线等)，关键点(平衡点)；从关键点纵坐标为70时，分析条件为“100 ℃、2 h”或“90 ℃、5 h”两个点。
⑤信息理解与应用：从生成物分析钛的化合价变化情况，进而确定反应情况。
⑥读懂表格信息：温度适宜时转化率最高，结合物质性质分析，温度过高H2O2及NH3·H2O分解。
⑦关注细节信息：溶液体积加倍，离子浓度变为原来的一半；要求列式计算，不能直接写出计算结果。
　(1)由“酸浸”实验中铁的浸出率结果图像可知，当铁的浸出率为70%时，所采取的实验条件是100 ℃、2 h和90 ℃、5 h。
(2)钛铁矿的主要成分为FeTiO3，加入盐酸“酸浸”后，钛主要以TiOCl形式存在，结合原子守恒和电荷守恒写出离子方程式。
(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应在40 ℃时TiO2·xH2O的转化率最高，当温度低于40 ℃时，TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加；当温度超过40 ℃时，因为H2O2不稳定受热发生分解并且氨气逸出，导致TiO2·xH2O转化率下降。
(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4，Li的化合价为＋1，而过氧键(—O—O—)中O元素的化合价为－1，设过氧键的个数为x个，其余O原子为y个，则有2x＋y＝15，根据化合物中各元素化合价的代数和为0可得：(＋1)×2＋(＋4)×5＋(－1)·2x＋(－2)·y＝0，解得x＝4，y＝7，故过氧键数目为4个。
(5)FePO4的Ksp＝1.3×10－22，当Fe3＋恰好沉淀完全时，溶液中c(PO)＝Ksp(FePO4)/c(Fe3＋)＝ mol·L－1＝1.3×10－17 mol·L－1，“滤液②”中c(Mg2＋)＝0.02 mol·L—1×1/2＝0.01 mol·L—1，此时，浓度熵为Qc＝c3(Mg2＋)·c2(PO)＝0.013×(1.3×10—17)2≈1.7×10—40＜Ksp[Mg3(PO4)2]＝1.0×10－24，故不会生成Mg3(PO4)2沉淀。
(6)由工艺流程图可知，“高温煅烧②”中FePO4、Li2CO3、H2C2O4在高温下反应生成LiFePO4，结合原子守恒推知，产物还有CO2和H2O，根据质量守恒定律写出化学方程式。
[答案]　(1)100 ℃、2 h，90 ℃、5 h
(2)FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl＋2H2O
(3)低于40 ℃，TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加；超过40 ℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化下降　(4)4
(5)Fe3＋恰好沉淀完全时，c(PO)＝ mol·L－1＝1.3×10－17 mol·L－1，c3(Mg2＋)·c2(PO)值为0.013×(1.3×10－17)2≈1.7×10－40