专题四 化学工艺流程题的突破

选修 2 化学与技术（工业流程题突破） 一、化学工艺流程题解决的问题主要有以下几个方面： 1将原料转化为产品的生产原理问题； 2除杂、分离和提纯产品等问题； 3、粗产品的生成和产品的进一步提纯问题 4提高产量和效率问题； 5节能减排， “绿色化学” ，循环利用等生产问题； 【答题方法指导】 1、浏览试题看问题，将问题分为两类：与工业流程无关和有关问题，先无关后有关。 2、解决与工业流程有关的问题时，先不要力求把生产流程图中的每个细节都弄清楚，只要把握住主要 的考查方向，理清每个环节的目的和结果，再根据题中的具体设问，结合题中提取的信息和头脑中原 有的知识和技能，进行针对性作答即可，切不可拘泥于流程图中的每个细节，把时间和精力过多用于 流程分析，使解题误入歧途。 二、整体的学习程序：具体抽象具体 1、学习课本上的具体工艺流程 （1）侯氏纯碱工艺 （2）工业合成硫酸 （3）工业合成硝酸 2 H2SO4A Fe()3Fe-BFeSO47H2FeOHCDZnSO47H2 2、抽象出工艺流程模板 3、分析以下工业流程的主 线和核心步骤，在分析 过程中关注以下几个方面： （1） 明确实验的目的 （2） 抓住几条线索 阶段 线索 考查侧重 主要目的 1、原料的预处理阶段： 原料、产品 核心化学反应 产物又多又纯 2、杂质的分离与提纯 杂质 分离提纯方法 杂质分离彻底 3、粗产品的提取 产品 产品提取方法及物质循环利用 产品的获取 【例题】 1、 （16 分）工业上用闪锌矿（主要成分为 ZnS，还含有 CdS、Fe 2O3 等杂质）为原料生产 ZnSO47H2O 的工艺流程如下：（己知 Cd 的金属活动性介于 Zn 和 Fe 之间） 2、电镀污泥中含有 NiCuZnlHCr、 323)( 等物质，工业上通过“中温焙烧钠氧化法” 回收 72ONa等物质。 已知：水浸后溶液中存在 2242ZnONaAlCrONa、 等物质 3、 （16 分）硫铁矿烧渣是一种重要的化学化工产业中间产物, 主要成分是 Fe3O4、Fe 2O3、FeO 和二氧 化硅等。下面是以硫铁矿烧渣制备高效净水剂聚合硫酸铁Fe 2(OH)n(SO4)3-n/2m 的流程图： 3 4、 （16 分）硫铁矿烧渣（主要成分为 Fe2O3、Fe 3O4、FeO、SiO 2 等）是生产硫酸的工业废渣，其综合 利用对环境保护具有现实意义。利用硫铁矿烧渣制备铁红等产品的实验流程如下： 已知几种盐的溶解度随温度变化的曲线如下图所示： 三、核心考点突破 、原料预处理的各种方法 （1） 粉碎或研磨：增大固液（或固气或固固）接触面积，加快反应（溶解）速率，增大原料的 转 化率（或浸取率） 。 （2） 煅烧或灼烧：不易转化的物质转为容易提取的物质；其他矿转化为氧化物；除去有机物； 除 废铁皮 硫铁矿 烧渣 酸溶 200300 水浸 操作 I 反应 I 操作 II FeSO47H2O 稀 H2SO4 Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m 稀 H2SO4/ H2O2 水解 滤渣 操作 III 滤液 滤渣 硫铁矿 烧渣 焙烧 酸浸、过滤硫酸 合成碳酸氢铵 FeCO3 固体 (NH4)2SO4 溶液 洗涤、干燥 煅烧 产品（铁红） 合成 KCl 产品（无氯钾肥） 还原剂 溶解度（g/100g 水） 0 温度（） 硫酸铵 氯化铵 氯化钾 硫酸钾 20 40 60 80 100 4 去热不稳定的杂质 （3） 酸浸：溶解、去氧化物（膜） 、调节 pH 促进水解（沉淀） （4） 碱溶：去油污，去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅，调节 pH 促进水解（沉淀） 、杂质的分离提纯方法：考点：平衡原理的应用 一般是将杂质离子变成沉淀或气体除去：常用的方法是调节溶液的 PH 促进水解或外加试剂使某些 杂质离子沉淀，再过滤除去。 在工艺流程中经常会涉及化学反应平衡，沉淀溶解平衡，沉淀的转化，离子的水解平衡 【例题】 1工业上以锂辉石（Li 2OA12O34SiO2，含少量 Ca、Mg 元素）为原料生产碳酸锂。其部分 工艺流程 如下： 已知： Li2OAl2O34SiO2 +H2SO4（浓） Li2SO4+Al2O34SiO2H2O 某些物质的溶解度（S ）如下表所示。 （2）已知滤渣2的主要成分有Mg(OH) 2和CaCO 3。 向滤液1中加入石灰乳的作用是（运用化学平衡原理简述）_。 2、 （2012 年 广东高考 32） （17 分）难溶性杂卤石（K 2SO4MgSO42CaSO42H2O）属于“呆矿”，在水中 存在如下平衡 为能充分利用钾资源，用饱和 Ca（OH） 2 溶液溶浸杂卤石制备硫酸钾，工艺流程如下： （2）用化学平衡移动原理解释 Ca（OH） 2 溶液能溶解杂卤石浸出 K+的原因： 。 答题模版四句话： T/ 20 40 60 80 S(Li2CO3)/g 1.33 1.17 1.01 0.85 S(Li2SO4)/g 34.2 32.8 31.9 30.7 250 300 5 （外因的改变）， （对该平衡内在某因素的影响）； （平衡移动方向） （移动结果与问题衔接）。 很多时候题目中已经将外因的改变和最终结果都已经给出，我们需要找到中间的外因改变带来 的内因的变化，注意抓住最主要的矛盾。 3电镀污泥中含有 NiOCuZnOAlHCr、 323)( 等物质，工业上通过“中温焙烧钠氧 化法”回收 72Na等物质。 已知：水浸后溶液中存在 2242ZnONaAlCrONa、 等物质 除去滤渣 II 后，溶液中存在如下反应： OHCrr2724 4272CrNa、 在不同温度下的溶解度如下表 温度 化学式 20 60 10042S 19.5 45.3 42.57Ora 183 269 415 84 115 126 （1）用 H2SO4 调节 pH 值的目的是 。 (2)“系列操作”中为：继续加入 42SOH，_冷却结晶，过滤。继续加入 42SOH目的是 _ _。 4、由 MgCl2nH2O 晶体获得无水 MgCl2 的操作是 5、配制硫酸亚铁氨溶液时，需要加入少量稀硫酸的目的 、产品的获取：考点 1：从盐溶液中获取晶体：结晶法 考点 2：由晶体得无水固体：灼烧法 结晶法有蒸发结晶和冷却结晶两种方法：蒸发结晶和降温结晶。 1、晶体洗涤（冰水或有机溶剂洗涤）：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，加速干燥。 2、蒸发、反应时的气体氛围：有些金属阳离子易水解，控制酸性条件或酸性气体氛围，防止其水解。 3、蒸发浓缩、冷却结晶、过滤（洗涤、干燥）：适用溶解度随温度升高而升高，且溶解度随温度变化 较大的溶液分离出溶质。 6 4、蒸发结晶、趁热过滤（洗涤、干燥）：适应溶解度随温度升高而降低或随温度变化不大的溶液。 5、重结晶：提高产品的纯度。 6、由晶体得无水固体：灼烧法 【例题】 Mg(ClO3)2 在农业上可用作脱叶剂、催熟剂，可采用复分解反应制备： MgCl2+2NaClO3=Mg(ClO3)2+2NaCl 已知四种化合物的溶解度（S）随温度（T）变化曲线如 右图所示： 将反应物按化学反应方程式计量数比混合制备 Mg(ClO3)2.简述可制备 Mg(ClO3)2 的原因： 。 按 中条件进行制备实验。在冷却降温析出 Mg(ClO3)2 过程中，常伴有 NaCl 析出，原因是： 。 、原电池和电解工业中的电极反应方程式书写 电极方程书写的难点：环境中用于平衡电荷的离子的选择 不同环境下产物的存在形式的差异 【例题】1、镀铝电解池中，金属铝为 极，熔融盐电镀中铝元素和氯元素主要以 AlCl4 和 Al2Cl7形式存在，铝电镀的主要电极反应式为 。 2、熔融盐燃料电池具有高的发电效率，可用 Li2CO3和 Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO 为负极气体， 空气与 CO2的混合气体为正极气体，制得在 650 摄氏度下工作的燃料电池。负极反应式 2CO+2CO32- - 4e-=4CO2 正极反应式_ _ 3、磷酸亚铁锂电池总反应为： ，电池中的固体电解质可传导 Li+，试 写出该电池放电时的电极反应： 正极：_；负极：_ _。 4、一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇（Y 2O3）的氧化锆 （ZrO 2）晶体，在熔融状态下能传导 O2-。试写出该电池放电时的电极反应： 正极：_；负极：_ 7 _。 、循环利用的物质： 同学理解物质循环利用的目的：节能减排， “绿色化学”，降低成本等生产问题，提炼出： 一定不会用 于循环的物质：目标产物，杂质可以用于循环的物质：辅助试剂、母液 【例题】 （2013 广州一模） （16 分）某科研小组以难溶性钾长石（K 2OAl2O36SiO2）为原料，提取 Al2O3、K 2CO3等物质，工艺流程如下： (4) 上述工艺中可以循环利用的主要物质是 、 和水。 、温度的控制 1、加热：加快反应速率或溶解速率； 促进平衡向吸热方向移动； 除杂，除去热不稳定的杂质，如 NaHCO3 、Ca(HCO 3)2、KMnO 4、I 2、NH 4Cl 等物质。 使沸点相对较低的原料气化 2、降温：防止某物质在高温时会溶解(或分解) 使化学平衡向着题目要求的方向移动（放热方向） 使某个沸点较高的产物液化，使其与其他物质分离 降低晶体的溶解度，减少损失 3、控温：（用水浴或油浴控温） 防止某种物质温度过高时会分解或挥发 为了使某物质达到沸点挥发出来 使催化剂的活性达到最好 防止副反应的发生 降温或减压可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的要求。 【例题】1、 （16 分 ） 医用氯化钙可用于补钙、抗过敏和消炎等，以工业碳酸钙（含少量 Na+、Al 3+、Fe 3+等杂质）生产医用二水合氯化钙工艺流程为： 8 （5）为什么蒸发结晶要保持在 160： 。 2、实验室用硫酸厂烧渣（主要成分为 Fe2O3 及少量 FeS、SiO 2 等）制备聚铁（碱式硫酸铁的聚合物） 和绿矾(FeSO 47H2O)，过程如下： (5)在中，将溶液 Z 控制到 7080 的目的是_ _； 3、空气吹出法工艺，是目前“海水提溴”的最主要方法之一。其工艺流程如下： （4）步骤的蒸馏过程中，温度应控制在 8090。温度过高或过低都不利于生产 ，请解释原因： 。 、注重文字叙述的规范性 1、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。 2、从溶液中得到晶体：蒸发浓缩冷却结晶过滤（或趁热过滤）洗涤干燥。 3、在写某一步骤是为了除杂时，应该注明“是为了除去 XX 杂质”，只写“除杂”等一类笼统式回答 是不给分的。 4、检验沉淀是否洗涤干净：取最后一次洗涤液少许于试管中，逐滴滴加 A 试剂，振荡 5、检验是否沉淀完全：静置，往上层清夜中继续滴加 A 试剂 过滤，取滤液少许于试管中，滴加 A 试剂 【巩固练习】1、二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料。工业上以软锰矿为原料，利用硫酸亚铁制备 高纯二氧化锰的流程如下： 海水 苦卤提取粗盐 硫酸酸化氯气氯化 含 Br2 的海水 空气吹出 含 Br2 的空气 SO 2 吸收 吸收液 氯化溴水 混合物 蒸馏蒸气液溴 冷凝 分离 粗溴水 软锰矿 酸浸 H2SO4 过量 FeSO4 过滤 滤渣 滤液 液 调 pH 至 5.4 氨水 液 过滤 滤渣 A 滤液 液 加热至 沸 MnS 液 过滤 滤渣 滤液 液 高纯 MnO2 液 9 某软锰矿的主要成分为 MnO2，还含有 Si(16.27%)、Fe(5.86%)、Al(3.42%)、Zn(2.68%)和 Cu（0.86% ） 等元素的化合物。部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的 pH 见下表，回答下列问题： 沉淀物 Al(OH)3 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Mn(OH)2 Cu(OH)2 Zn(OH)2 CuS ZnS MnS FeS pH 5.2 3.2 9.7 10.4 6.7 8.0 0.42 2.5 7 7 （1）硫酸亚铁在酸性条件下将 MnO2 还原为 MnSO4，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为 。 （2）滤渣 A 的主要成分是 。 （3）加入 MnS 的目的是除去 杂质，加热至沸的目的是 。 （4）碱性锌锰电池中，MnO 2 参与的电极反应方程式为 。 （5）从废旧碱性锌锰电池中可以回收利用的物质有 （写两种） 。 2、某化学研究性学习小组通过查阅资料，设计了如下图所示的方法以含镍废催化剂为原料来制备 NiSO47H2O。已知某化工厂的含镍催化剂主要含有 Ni，还含有 Al（31% ） 、Fe（1.3%）的单质及 氧化物，其他不溶杂质(3.3%) 。 部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时的 pH 如下： 沉淀物 Al(OH)3 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Ni(OH)2 pH 5.2 3.2 9.7 9.2 回答下列问题： 操作 a、c 中需使用的仪器除铁架台（带铁圈） 、酒精灯、烧杯、玻璃棒外还需要的主要仪器为 。 “碱浸”过程中发生的离子方程式是 。 固体 含镍废 催化剂 碱液 酸液 碱浸 操作 b 保温一段时间操作 a 酸浸 操作 a H2O2 调 pH 为 2-3操作 c 溶液 固体 操作 a NiSO47H2O 晶体 10 “酸浸”时所加入的酸是 （填化学式） 。酸浸后，经操作 a 分离出固体后，溶液中可 能含有的金属离子是 。 操作 b 为调节溶液的 pH，你认为 pH 的最佳调控范围是 。 “调 pH 为 23”的目的是 。 产品晶体中有时会混有少量绿矾（FeSO 47H2O） ，其原因可能是 _ 。检验方法是： 。 3、工业上常采用天然矿物法生产硝酸钾，工艺流程如下图所示， 已知：滤液 1 中含有 K+、Na +、NO 3-、Cl -、SO 42- 以及微量 Mg2+。 KNO3、NaNO 3、NaCl、Na 2SO4 四种物质在不同温度的溶解度曲线图： 回答下列问题： （1） “滤渣 2”的主要成分是 。 （2） “母液”多次循环使用会造成产品纯度降低，处理的方法是：在多次循环后的“母液”中加入 NaOH 溶液，其反应原理是 （用离子反应方程式表示） （3）在滤液 1 蒸发浓缩过程中，可加入适量的 KCl 固体，提高产品的产量，原因是 ； （4）若要进一步提高硝酸钾晶体的纯度，还必须进行的操作是 。 4 （12分）以食盐为原料进行生产并综合利用的某些过程如下图 所示。 KNO3 晶体 矿石 水 高温 溶解 蒸发 浓缩 趁热 过滤 滤渣 2 滤液 2 冷却结晶 过滤 母液 过滤 滤液 1 废渣 溶解度/g 温度/ 11 （1）除去粗盐中的Ca 2+、Mg 2+和SO 42-离子，加入下列沉淀剂的顺序是（填序号） 。 aNa 2CO3 bNaOH cBaCl 2 （2）将滤液的pH调至酸性除去的离子是 ，离子方程式为 。 （3）电解饱和食盐水反应的离子方程式是 。 （4）若向分离出NaHCO 3晶体后的母液中加入过量生石灰，则可获得一种可以循环使用的物质，其化 学式是 。 （5）纯碱在生产生活中有广泛的应用。 纯碱可用于除灶台油污。其原因是（结合离子方程式表述） 。 常温下，向某pH=11的Na 2CO3溶液中加入过量石灰乳，过滤后所得溶液pH=13。 则反应前的溶液中与反应后的滤液中水电离出的c(OH )的比值是 。 工业上，可以用纯碱代替烧碱生产某些化工产品。如用饱和纯碱溶液与 Cl2反应制取有效成分为 NaClO的消毒液，其反应的离子方程式是（已知碳酸的酸性强于次氯酸） 。 5 （16 分）铬铁矿的主要成分可表示为 FeOCr2O3，还含有 SiO2、Al 2O3 等杂质，以铬铁矿为原料制备 重铬酸钾（K 2Cr2O7）的过程如下图所示。 已知： NaFeO 2 遇水强烈水解。 2CrO 42 + 2H+ Cr2O72 + H2O 请回答：（1）K 2Cr2O7 中 Cr 元素的化合价是 。 （2）煅烧铬铁矿生成 Na2CrO4 和 NaFeO2 反应的化学方程式是 。 （3）滤渣 1 为红褐色的固体，滤渣 1 的成分是（填名称）_ ，滤液 1 的成分除 Na2CrO4、NaOH 外，还含有（填化学式） 。 （4）利用滤渣 2，可制得两种氧化物，其中一种氧化物经电解冶炼可获得金属，该电解反应的化学方 程式是 。 （5）写出由滤液 2 转化为 Na2Cr2O7 溶液应采取的措施是 。 （6）向 Na2Cr2O7 溶液中加入 KCl 固体，获得 K2Cr2O7 晶体的操作依次是： 加热浓缩、 、过滤、洗涤、干燥。 6 （12 分）高铁酸钾（K 2FeO4）是一种新型、高效、多功能水处理剂，且不会造成二次污染。已知高 12 铁酸盐热稳定性差，工业上用湿法制备高铁酸钾的基本流程如下图所示： 搅拌 ， 3 0 以下 K C l O 过量 5 0 % C l 2 过滤 K C l 晶体 高浓度 K C l O 溶液 K O H 溶液 过滤 F e ( O H ) 3 固体 滤液 1 4 8 % K O H 溶液 一定浓度 F e ( N O 3 ) 3 溶液 K O H 溶液 F e ( O H ) 3 料浆 氧化 结晶 过滤 浓 K O H 滤液 2 粗品 纯品 在农业生产中，滤液 1 可用作 。 上述氧化过程中，发生反应的离子方程式是： ，控制反应温 度