解答工艺流程题的细化研究(定稿).doc

解答工艺流程题的细化研究赫兰（深圳市北京师范大附属中学南山分校 广东 深圳邮编 ） 摘 要 阐述了解答工艺流程题的一般范式，从原料的预处理、反应条件的控制、核心化学反应方程式的书写、产品的分离和提纯的8种方法、原料的循环利用、排放物的无害化处理等方面进行了细化研究，并列举案例进行了佐证和说明。 关键词 工艺流程题 核心化学反应 产品的分离和提纯7工艺流程题是高考化学的一个难点。纵观近年来几本重要化学刊物登载的有关解答工艺流程题的文章，有的侧重于宏观控制，以大局观统揽全局，但细化研究不够；有的侧重于具体试题的解答，就题论题，难以达到举一反三的目的。本文拟从方法论的角度对解答工艺流程题进行细化研究，力求宏观和微观统一、一般和特殊统一，给学生找到一把解答工艺流程题的金钥匙。解答工艺流程题具有其一般范式（如图1），围绕这一范式进行展开，学生在解答时就有章可循，有话可说，并能取得良好的纸笔测验成绩。原料无机矿物核心化学反应所需产品原料的循环利用产品的分离和提纯排放物的无害化处理原料预处理 图1反应条件的控制一、原料预处理的方法（一）粉碎粉碎的目的是增大反应物的接触面积，从而加快反应速率。（二）煅烧（或焙烧）通过煅烧（或焙烧）使原料发生组成或结构上的改变，去掉一部分杂质，使之更能进行下一步反应。（三）水浸（或溶解）水浸的目的是为了使原料能溶解在溶剂（水或非水）之中。（四）酸浸根据原料的酸碱性，让一部分能与酸反应的物质溶解在酸溶液之中，便于后续过程中进一步进行反应或分离。（五）碱浸碱浸是为了除去油污、溶解酸性氧化物、溶解铝及其化合物、调节pH等.（六）醇浸醇浸是为了提取有机物质。二、反应条件的控制（一）温度控制一定的温度，让某些物质能发生化学反应，而另一部分物质不能发生化学反应，进而达到初步分离的目的。（二）溶液的酸碱性一部分金属离子在一定的pH条件下能生成沉淀或沉淀完全，而另一部分金属离子不能沉淀进而达到初步分离的目的。方法：加入能消耗杂质的物质且不引入新的杂质。如要除去K2SO4中混有的K2CO3则可加入硫酸调pH至中性。 三、核心化学反应方程式的书写（一）熟悉的常见无机物及其应用的方程式的书写这一类方程式只需再现即可。作为考生，能够熟练掌握钠、铝、铁、铜（4种金属），碳、硅、氮、硫、氯（含氢和氧等7种非金属）的单质及其化合物之间的相互转变，达到结构化和自动化的程度。（二）陌生化学方程式的书写陌生化学方程式也叫信息反应方程式，这一类方程式的书写遵循质量守恒定律（即原子守恒）和电子得失守恒原理（氧化还原反应方程式），必要时在反应物或生成物中补水或氢离子或氢氧根，使化学方程式或离子方程式达到配平的目的。四、产品的分离和提纯的方法和途径（一）过滤（常温常压，未特别指明时均为常温常压过滤，如图2）过滤所需要的玻璃仪器有玻璃棒、烧杯、漏斗。适用范围：把不溶于液体的固体物质从液体里加以分离的操作。图2注意事项：一贴（滤纸紧贴漏斗内壁、中间无气泡）、二低（滤纸边缘低于漏斗边缘12mm，漏斗里液面低于滤纸边缘）、三靠（倾倒液体的烧杯口紧靠玻璃棒，玻璃棒末端轻靠三层滤纸处，漏斗下端口紧靠烧杯内壁）。趁热过滤：“趁热过滤”是为了保证较高温度下主要产品能顺利流出，或主要产品与杂质能有效分离。一般来说，当溶液中有两种或两种以上的溶质时，经蒸发浓缩，其中溶解度最小、受温度影响最大的溶质，被趁热过滤成滤渣，而溶液中溶解度最小的溶质是饱和溶液，然后冷却结晶，过滤，得另一溶质（溶解度最大、受温度影响最大的溶质）。趁热过滤可将普通漏斗先置于热水浴中或蒸汽中预热，也可使用热滤装置。热滤装置（如图3所示）就是在普通过滤器外套上一个热滤漏斗。图3减压过滤（或抽滤）：为使结晶和母液迅速有效地分离和有利于干燥，一般常用抽气过滤（也称减压过滤）。减压过滤装置（如图4所示）包括布氏漏斗、抽滤瓶、安全瓶和水流泵（或抽气泵）。由于水泵中急速水流不断将空气带走，使抽滤瓶内形成负压，促使液体较快通过滤纸进入抽滤瓶，沉淀留在布氏漏斗中。图4过滤前，选好比布氏漏斗内径略小（以盖住所有小孔为宜）的圆形滤纸平铺在漏斗底部，用溶剂润湿，开启抽气装置，使滤纸紧贴在漏斗底。过滤时，将要过滤的混合液倒入漏斗中，使固体均匀分布在整个滤纸面上，抽气到几乎没有液体滤出为止。在停止抽滤时，应先将安全瓶上的玻璃阀打开接通大气（如果没有玻璃阀，则需要拆开安全瓶与水流泵之间的橡皮管），再关闭水流泵，以免水倒吸到抽滤瓶内。若固体需要洗涤时，可将少量溶剂洒到固体上，静置片刻，再将其抽干。（二）结晶和重结晶适用范围：适用于分离各组分在溶剂中溶解度随温度变化不同的固体混合物，如分离氯化钠和氯化铵。注意事项：有冷却法和蒸发法两种。冷却法是先配较高温度下的饱和溶液，然后降温结晶，过滤分离出晶体。在配制热饱和溶液时，注意加热水勿过多。 用到的仪器有烧杯及过滤仪器装置，且结晶多与过滤配合使用。（三）蒸发适用范围：蒸发（如图5）是将溶液加热，溶剂汽化，溶质以晶体的形式析出的过程，适用于分离溶于溶剂中的固体溶质。注意事项：蒸发皿内盛液体不能太多（不超过容积的2/3），用玻璃棒不断搅拌，出现较多固体时停止加热，用余热蒸干。图5 （四）蒸馏（如图6） 适用范围：用于分离沸点不同的液体混合物。注意事项：温度计水银球位置与蒸馏烧瓶支管口在同一水平面上，冷凝水流向是下进上出，烧瓶中应加沸石以防暴沸。图6出水口进水口石油和碎石片 （五）萃取与分液（如图7）适用范围：萃取是利用溶质在两种互不相溶的溶剂里溶解度的不同，用一种溶剂把溶质从另一种溶剂里提取出来的方法；分液是利用互不相溶的液体密度的不同，用分液漏斗加以分离的方法。萃取后要进行分液，分液后再进行蒸发或蒸馏才能将混合物彻底分离。分液后上层上口出，下层下口出。图7萃取和分液要用到的玻璃仪器有：分液漏斗、烧杯。（六）渗析（如图8）适用范围：把混在胶体中的小分子和离子从胶体中加经分离的方法。操作方法是将混有分子和离子的胶体装入半透膜的袋子里，再把这个袋放在溶剂中，使分子和离子从胶体里分离出来。注意事项：不断更换烧杯中的水或改用流水，以提高渗析效果。图8（七）盐析（如图9）适用范围：在胶体中加入非重金属盐，如氯化钠、氯化铵、硫酸铵等，使分散质的溶解度降低从而凝结成较大的固体颗粒而沉淀析出的分离方法。如制肥皂时在皂化反应后给混合物中加氯化钠，使高级脂肪酸钠析出。盐析不同于蛋白质的变性，前者可逆后者不可逆。图9（八）升华（如图10）适用范围：把易升华的固体物质从混合物里加以分离，如分离碘化钾和单质碘；此装置也可用于分离易分解的固体物质和不易分解的固体物质的混合物，如分离氯化铵和氯化钠、分离碳酸氢铵和碳酸钠等。图10注意事项：烧瓶里盛冷水，烧杯底垫石棉网。 以上8种混合物的分离方法以过滤、萃取和分液、蒸发、蒸馏为常见方法，它们可在不同的环境中进行使用。五、原料的循环利用对于可逆反应，可将未转化的反应物分离出来后送入反应器重新反应。如合成氨反应是可逆反应，分离氨后的尾气中还含有大量原料气N2和H2可送入合成塔，实施循环生产。若某种物质在流程中既是辅助原料又是副产品（既流进又流出），则考虑循环生产工艺。六、排放物的无害化处理体现绿色化学的基本思想一般来说，对于有毒气体均使用了废碱液（如氢氧化钠溶液、氨水、澄清的石灰水等廉价药品）吸收碳、氮、硫等的氧化物，使之转化成无毒无害的物质，达到无污染和综合利用的目的。七、解答工艺流程题的典型案例【案例】（2012年广东省高考理科综合第32题）难溶性杂卤石（K2SO4MgSO42CaSO42H2O）属于“呆矿”，在水中存在如下平衡K2SO4MgSO42CaSO42H2O(s) 2Ca2+2K+Mg2+4SO42+2H2O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，工艺流程如图11：溶浸杂卤石Ca(OH)2溶液过滤滤渣滤液除杂蒸发浓缩、冷却结晶过滤硫酸钾母液图11（1）滤渣主要成分有 和 以及未溶杂卤石。（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： 。（3）“除杂”环节中，先加入 溶液，经搅拌等操作后，过滤，再加入 溶液调滤液pH至中性。（4）不同温度下，K+的浸出浓度与溶浸时间的关系如图12，由图12可得，随着温度升高， 。323K288K373K溶浸时间0K+的浸出浓度图12（5）有人以可溶性碳酸盐为溶浸剂，则溶浸过程中会发生：CaSO4(s)+CO32CaCO3(s)+SO42 已知298K时，Ksp(CaCO3)=2.80109，Ksp(CaSO4)=4.90105，求此温度下该反应的平衡常数K（计算结果保留三位有效数字）。【解析】根据难溶性杂卤石的溶解平衡，加入氢氧化钙后进行“碱浸”，发生的“核心化学反应”为：Mg2+2OH=Mg(OH)2，Ca2+SO42=CaSO4（微溶，加入氢氧化钙后发生该反应，杂卤石中本身就存在CaSO4），因而过滤后，滤渣中存在Mg(OH)2和CaSO4；由于以上两个反应的发生，使镁离子浓度减小，导致杂卤石的溶解平衡向右移动；由于加入饱和的氢氧化钙后，其滤液中存在过量的氢氧化钙、K+、SO42及水，因此，为将过量的氢氧化钙除去而又不引入新的杂质，除杂环节中首选试剂是K2CO3，由于加入的K2CO3过量，最后需加H2SO4调pH至中性，得硫酸钾的水溶液。观察图12可知，升高温度，溶浸达到平衡的时间缩短，平衡时K+的浸出浓度增大；如加入可溶性碳酸盐为溶浸剂时，则溶浸过程中会发生反应：CaSO4(s)+CO32CaCO3(s)+SO42，K=c(SO42)/c(CO32)= Ksp(CaSO4)/ Ksp(CaCO3)= 4.90105/2.80109=1.75104。【参考答案】（1）Mg(OH)2 ； CaSO4。（2）因加入Ca(OH)2后，能生成难溶的Mg(OH)2 ，使平衡向“呆矿”溶解的方向移动，故能浸出K+。（3）K2CO3；H2SO4。（4）K+的浸出速率加快，达到平衡的时间变短；平衡时K+的浸出浓度随温度升高而增大。（5）1.75104。【评述】这是一个单线型的工艺流题。从原料到产品，有2处发生化学变化（一处是溶浸，一处是除杂）物质的分离和提纯只用到“过滤、蒸发浓缩、冷却结晶”，而“冷却结晶”又与过滤相关联；其母液中K+、SO42，因而可循环利用，即“回头必循环”。参考文献1许国霞.浅谈无机工艺流程题解题方