化学工艺流程专题

1 化学工艺流程专题 2016 化学工艺流程题的解题要领 1 常见的化工术语 关键词释 义 将块状或颗粒状的物质磨成粉末或将液体雾化 增大反应物接触面积 以加快反应速率或使反 研磨 雾化 应更充分 灼烧 煅烧 使固体在高温下分解或改变结构 使杂质高温氧化 分解等 如煅烧石灰石 高岭土 硫铁矿 浸取向固体中加入适当溶剂或溶液 使其中可溶性的物质溶解 包括水浸取 酸溶 碱溶 醇溶等 浸出率固体溶解后 离子在溶液中的含量的多少 酸浸在酸性溶液中使可溶性金属离子进入溶液 不溶物通过过滤除去的过程 水浸与水接触反应或溶解 过滤固体与液体的分离 滴定定量测定 可用于某种未知浓度物质的物质的量浓度的测定 蒸发结晶蒸发溶剂 使溶液由不饱和变为饱和 继续蒸发 过剩的溶质就会呈晶体析出 蒸发浓缩蒸发除去部分溶剂 提高溶液的浓度 水洗用水洗去可溶性杂质 类似的还有酸洗 醇洗等 酸作用溶解 去氧化物 膜 抑制某些金属离子的水解 除去杂质离子等 碱作用去油污 去铝片氧化膜 溶解铝 二氧化硅 调节 pH 促进水解 沉淀 1 2 2 常见的操作与答题 常见的操作答题要考虑的角度 加过量试剂使反应完全进行 或增大转化率 产率 等 加氧化剂氧化某物质 生成目标产物或除去某些离子 判断能否加其他 要考虑是否引入杂质 或影响产物的纯度 等 物质 过滤 蒸发 萃取 分液 蒸馏等常规操作 分离 提纯 从溶液中得到晶体的方法 蒸发浓缩 冷却结晶 过滤 洗涤 干燥 提高原子利用率绿色化学 物质的循环利用 废物处理 原子利用率 能量的充分利用 在空气中或在其 要考虑 O2 H2O CO2或其他气体是否参与反应或能否达到隔绝空气 防氧化 水解 潮 他气体中进行的 解等目的 反应或操作 判断沉淀是否洗 取最后洗涤液少量 检验其中是否还有某种离子存在等 涤干净 调节溶液的酸碱性 抑制水解 或使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀 酸作用 还可除去氧化物 膜 控制溶液的 pH 碱作用 还可除去油污 除去铝片氧化膜 溶解铝 二氧化硅等 特定的氧化还原反应需要的酸性条件 或碱性条件 防止副反应的发生 使化学平衡移动 控制化学反应的方向 控制固体的溶解与结晶 如趁热过滤能防止某物质降温时析出 控制温度 控制反应速率 使催化剂达到最大活性 常用水浴 升温 促进溶液中的气体逸出 使某物质达到沸点挥发 冰浴或油浴 加热煮沸 促进水解 聚沉后利于过滤分离 趁热过滤 减少因降温而析出的溶质的量 降温 防止物质高温分解或挥发 降温 或减压 可以减少能源成本 降低对设备的要求 水洗 通常是为了除去晶体表面水溶性的杂质 冰水洗涤 能洗去晶体表面的杂质离子 且防止晶体在洗涤过程中的溶解损耗 洗涤晶体 用特定有机试剂清洗晶体 洗去晶体表面的杂质 降低晶体的溶解度 有利于析出 减 少损耗等 洗涤沉淀方法 往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀 待水自然流下 重复以上操作 2 3 次 用水洗除去表面可溶性杂质 金属晶体可用机械法 打磨 或化学法除去表面氧化物 抛光 表面处理 等 2 3 如何确定有关工艺流程中的重要物质 考题呈现 1 2015 天津高考 废旧印刷电路板是一种电子废弃物 其中铜的含量达到矿石中的几十倍 湿法技术是将粉 碎的印刷电路板经溶解 萃取 电解等操作得到纯铜等产品 某化学小组模拟该方法回收铜和制取胆矾 流程 简图如下 流程中有三次实现了试剂的循环使用 已用虚线标出两处 第三处的试剂是 循环使用的 NH4Cl 在反应 中的主要作用是 2 2015 山东高考 毒重石的主要成分为 BaCO3 含 Ca2 Mg2 Fe3 等杂质 实验室利用毒重石制备 BaCl2 2H2O 的流程如下 Ca2 Mg2 Fe3 开始沉淀时的 pH11 99 11 9 完全沉淀时的 pH13 911 13 2 已知 Ksp BaC2O4 1 67 10 7 Ksp CaC2O4 2 3 10 9 加入 NH3 H2O 调节 pH 8 可除去 填离子符号 滤渣 中含 填化学式 加入 H2C2O4 时应避免过量 原因是 归纳总结 1 1 解题策略 解题步骤解题策略 首尾呼应 1 对照原料和产品 确定核心反应和核心辅料 找出主线2 依核心反应 明确流程主线 支线和除杂任务 3 以核心辅助原料为准 把流程划分为原料预处理 核心反应和产品分离提纯三个阶段 4 依箭头指向 分析每一环节中物质流入和流出的意义 控制反应条件的作用 融通对流程的 分段剖析 整体分析 明析细节 5 某些暂时琢磨不透的环节 可 跳过去 而 难得糊涂 如有必要 可 顺藤摸瓜 或带着问题 回头来进行有针对性的分析 6 先易后难 先回答与工艺流程非密切相关的问题 确保易拿的分数先拿 增强答题信心 由易到难 7 变换角度 从基本理论 绿色化学观点 经济角度 安全生产等多角度答题 破解答案 8 对棘手问题 不忘尝试从题给信息中寻找答案 3 4 2 物质判断 主线主产品 副线副产品 回头为循环 2 循环物质的确定 3 副产品的判断 滤渣 滤液成分的确定 要考虑样品中原料和杂质中的每一种成分在每一步与每一 种试剂的反应情况 1 哪些物质 离子 消失了 2 所加试剂是否过量或离子间发生化学反应又产生了哪些新离子 再考虑这些离子间是否会发生反应 3 去除主产品和副产品 原料中的相关成分存在于何处 常见题型常见题型 1 化学工艺流程和物质制备化学工艺流程和物质制备 5 变式 1 Na2S2O3 5H2O 可作为高效脱氯剂 工业上用硫铁矿 FeS2 为原料制备该物质的流程如下 已知 I 气体 A 可以使品红溶液褪色 与硫化氢 H2S 混合能获得单质硫 II pH 约为 11 的条件下 单质硫与亚硫酸盐可以共热生成硫代硫酸盐 回答下列问题 1 沸腾炉中将粉碎的硫铁矿用空气吹动使之达到 沸腾 状态 其目的是 2 吸收塔中的原料 B 可以选用 填字母序号 A NaCl 溶液 B Na2CO3溶液 C Na2SO4溶液 3 某小组同学用下图装置模拟制备 Na2S2O3 的过程 加热装置已略去 A 中使用 70 的硫酸比用 98 的浓硫酸反应速率快 其原因是 装置 B 的作用 是 C 中制备 Na2S2O3发生的连续反应有 Na2S H2O SO2 Na2SO3 H2S 和 Na2SO3 S Na2S2O3 4 工程师设计了从硫铁矿获得单质硫的工艺 将粉碎的硫铁矿用过量的稀盐酸浸取 得到单质硫和硫化氢气 体 该反应的化学方程式为 答案 1 使固体与气体充分接触 加快反应速率 2 分 2 B 2 分 6 2 化学工艺流程与实验化学工艺流程与实验 典例 2 高铁酸钾 K2FeO4 具有很强的氧化性 是一种新型的高效水处理剂 1 高铁酸钾具有强氧化性的原因是 2 高铁酸钾是一种理想的水处理剂 其处理水的原理为 3 制备 K2FeO4可以采用干式氧化法或湿式氧化法 干式氧化的初始反应是 2FeSO4 6Na2O2 2Na2FeO4 2Na2O 2Na2SO4 O2 该反应中每生成 2mol Na2FeO4时转移电子 mol 湿式氧化法的流程如图 上述流程中制备 Na2FeO4的化学方程式是 4 高铁电池是正在研制中的可充电电池 图 1 为该电池和常用的高能碱性电池的放电曲线 由此可得出的 高铁电池的优点有 5 探究高铁酸钾的某种性质 实验 1 将适量 K2FeO4固体分别溶解于 pH 为 4 74 7 00 11 50 的水溶液中 配得 FeO42 浓度为 1 0mmol L 1mmol L 10 3mol L 的试样 静置 考察不同初始 pH 的水溶液对 K2FeO4某种性质的影响 结果见图 2 注 800min 后 三种溶液中高铁酸钾的浓度不再改变 实验 2 将适量 K2FeO4溶解于 pH 4 74 的水溶液中 配制成 FeO42 浓度为 0mmol L 的试样 将试样分 别置于 20 30 40 和 60 的恒温水浴中 考察不同温度对 K2FeO4某种性质的影响 结果见图 2 则 实验 1 的目的是 实验 2 可得出的结论是 高铁酸钾在水中的反应为 4FeO42 10H2O 4Fe OH 3 8OH 3O2 由图 1 可知 800min 时 pH 11 50 的溶液中高铁酸钾最终浓度比 pH 4 74 的溶液中高 主要原因是 解 1 高铁酸钾中的铁是正 6 价 处于高价态 具有强氧性 故答案为 其中的铁元素为 6 价 易得电子 2 高铁酸钾是具有强氧性 还原产物铁离子水解生成氢氧化铁胶体 吸附杂质的作用 故答案为 高铁酸钾有强氧化性 能 杀菌消毒 产生的 Fe OH 3有吸附性 有絮凝作用 3 2FeSO4 6Na2O2 2Na2FeO4 2Na2O 2Na2SO4 O2 6molNa2O2中 12mol 的负一价氧 2mol 的有变成 0 价 7 还有 10mol 变成 2 价 而铁是正 2 价变为正 6 价 所以每生成 2mol Na2FeO4时转移电子 10mol 故答案为 10 Fe NO3 3被 NaClO 氧化成 Na2FeO4 故答案为 2Fe NO3 3 3NaClO 10NaOH 2Na2FeO4 3NaCl 6NaNO3 5H2O 4 高铁电池由图 2 为该电池和常用的高能碱性电池的放电曲线 由此可得出的高铁电池的优点有放电时间长 工作电压稳定 等优点 故答案为 放电时间长 工作电压稳定 5 在其它条件相同的情况下研究在 FeO42 不同 PH 溶液中的稳定性 故答案为 研究在 FeO42 不同 PH 溶液中的稳定性 或反应的速率 研究温度改变 FeO42 的稳定性 故答案为 温度越高 FeO42 越不稳定 或与水反应的速率越快 用平衡移动的原理解释 pH 11 50 的溶液中 OH 离子浓度大 使平衡向左移动 故答案为 pH 11 50 的溶液中 OH 离子 浓度大 使平衡向左移动 变式 2 氯化亚铜 CuCl 是白色粉末 微溶于水 不溶于乙醇 在空气中会被迅速氧化成绿色碱式盐 从酸性电 镀废液 主要含 Cu2 Fe3 中制备氯化亚铜的工艺流程图如下 金属离子含量与混合液 pH CuCl 产率与混合液 pH 的关系图如图 已知 金属离子浓度为 1 mol L 1时 Fe OH 3开始沉淀和沉淀完全的 pH 分别为 1 4 和 3 0 Cu OH 2开 始沉淀和沉淀完全的 pH 分别为 4 2 和 6 7 请回答下列问题 1 酸浸时发生反应的离子方程式是 析出 CuCl 晶体时的最佳 pH 在 左右 2 铁粉 氯化钠 硫酸铜在溶液中反应生成 CuCl 的离子反应方程式为 3 析出的 CuCl 晶体要立即用无水乙醇洗涤 在真空干燥机内于 70 干燥 2 h 冷却密封包装 70 真空干 燥 密封包装的目的是 8 4 产品滤出时所得滤液的主要分成是 若想从滤液中获取 FeSO4 7H2O 晶体 还需要知道的是 5 若将铁粉换成亚硫酸钠也可得到氯化亚铜 试写出该反应的化学方程式 为提高 CuCl 的产率 常在该反应体系中加入稀碱溶液 调节 pH 至 3 5 这样做的目的是 答案 1 Cu OH 2 2H Cu2 2H2O 3 2 2Cu2 2Cl Fe 2CuCl Fe2 3 加快乙醇和水的蒸发 防止 CuCl 被空气氧化 4 Na2SO4和 FeSO4 不同温度下硫酸钠和硫酸亚铁的溶解度 5 2CuSO4 Na2SO3 2NaCl H2O 2CuCl 2Na2SO4 H2SO4 OH 中和了反应中的 H 有利于平衡向右移动 提高 CuCl 的产率 但当 OH 浓度过大时 Cu 能与 OH 结合 生成氢氧化亚铜 从而降低了 CuCl 的产率 1 酸浸后可得到高浓度的硫酸铜溶液 所以发生的反应为 Cu OH 2 2H Cu2 2H2O 由图像 知当 pH 3 时 CuCl 的产率最高 4 反应中加入了 Na 反应后生成了 Fe2 所以滤液成分为 N a2SO4和 FeSO4 5 将铁粉换成 Na2SO3 则为 4 价 S 还原 Cu2 3 化学工艺流程和电化学 典例 3 锌是一种应用广泛的金属 目前工业上主要采用 湿法 工艺冶炼锌 某含锌矿的主要成分为 ZnS 还含少量 FeS 等其他成分 以其为原料冶炼锌的工艺流程如图所示 回答下列问题 1 硫化锌精矿的焙烧在氧气气氛的沸腾炉中进行 所产生焙砂的主要成分的化学式为 2 焙烧过程中产生的含尘烟气可净化制酸 该酸可用于后续的 操作 3 浸出液 净化 过程中加入的主要物质为 其作用是 4 电解沉积过程中的阴极采用铝板 阳极采用 Pb Ag 合金惰性电极 阳极逸出的气体是 5 改进的锌冶炼工艺 采用了 氧压酸浸 的全湿法流程 既省略了易导致空气污染的焙烧过程 又可获得一种有 工业价值的非金属单质 氧压酸浸 中发生的主要反应的离子方程式为 6 我国古代曾采用 火法 工艺冶炼锌 明代宋应星著的 天工开物 中有关于 升炼倭铅 的记载 炉甘石十斤 装载入一泥罐内 然后逐层用煤炭饼垫盛 其底铺薪 发火煅红 冷淀 毁罐取出 即倭铅也 该炼锌工艺过程主要反应的化学方程式为 注 炉甘石的主要成分为 碳酸锌 倭铅是指金属锌 解 硫化锌精矿的焙烧可生成 ZnO 氧化铁等 含尘烟气含有含硫氧化物 可用于制备硫酸 浸出液加入硫酸可生成硫酸锌 硫酸铁 加入过量锌充分反应 可置换出铁 滤液中主要含有硫酸锌 经电解可得到锌和硫酸 电解液中含有硫酸 可循环利用 浸出液浸出液 浸出浸出 浸出渣浸出渣 回收利用回收利用 硫化锌精矿硫化锌精矿 焙烧焙烧 含尘烟气含尘烟气 净化 制酸净化 制酸 焙砂焙砂 滤渣滤渣 回收利用回收利用 净化净化 滤液滤液 电解沉积电解沉积 锌锌 废电积液废电积液 9 1 含锌矿的主要成分是 ZnS 与空气中氧气发生氧化还原反应 则焙砂的主要成分为 ZnO 故答案为 ZnO 2 焙烧生成的含硫氧化物可转换为硫酸 用于后续的浸出操作 故答案为 浸出 3 该含锌矿中还含有 FeS 等杂质 浸出操作后转化为亚铁离子 可加入锌粉出去亚铁离子 从而出去 Fe 故答案为 Zn 粉 置换出 Fe 等 4 电解沉积过程中 是电解 ZnSO4 阳极发生氧化反应 产物为 O2 故答案为 O2 5 氧压酸浸 法顾名思义 可知反应物中含有 H 和 O2 可以获得非金属单质 S 化学方程式为 2ZnS 4H O2 2Zn2 2S 2H2O 故答案为 2ZnS 4H O2 2Zn2 2S 2H2O 6 根据题目描述可知反应物为 ZnCO3和 C 产物含有 Zn 则化学方程式为 ZnCO3 2CZn 3CO 点评 本题以流程题的形成考查物质的分离 提纯 为高考成常见题型 侧重于学生的分析能力 实验能力的考查 注意把握物 质的性质以及实验的原理 难度不大 变式 3 2014 广东理综化学卷 广东理综化学卷 石墨在材料领域有重要应用 某初级石墨中含 SiO2 7 8 Al2O3 5 1 Fe2O3 3 1 和 MgO 0 5 等杂质 设计的提纯与综合利用工艺如下 注 SiCl4的沸点为 57 6 金属氯化物的沸点均高于 150 1 向反应器中通入 Cl2前 需通一段时间 N2 主要目的是 2 高温反应后 石墨中氧化物杂质均转变为相应的氯化物 气体 I 中的碳氧化物主要 为 由气体 II 中某物质得到水玻璃的化学反应方程式为 3 步骤 为 搅拌 所得溶液 IV 中的阴离子有 4 由溶液 IV 生成沉淀 V 的总反应的离子方程式为 100kg 初级石墨最 多可获得 V 的质量为 kg 5 石墨可用于自然水体中铜件的电化学防腐 完成图 19 防腐示意图 并作相应标注 解析 1 石墨的化学性质在常温下稳定 而在高温下可与氧气发生反应 所以通入 N2目的是作保护气 排除空气中的氧气 减少 C 的损失 2 高温反应后 石墨中的氧化物杂质均转变为相应的氯化物 根据杂质的含量 气体 I 中的氯化物主要 SiCl4 AlCl3 FeCl3 SiCl4的沸点 是 57 6 C 所以气体 II 为 SiCl4 与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和氯化钠 化学方程式为 SiCl4 6NaOH Na2SiO3 4NaCl 3H2O 3 金属氯化物的沸点均高于 150 C 所以固体 III 中存在氯化铝 氯化铁 氯化镁 其中氯化铁 氯化镁与过量氢氧化钠溶液反应生成沉淀 而氯化铝与过量氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠 所以搅拌后过滤 所得溶液 IV 中阴离子有 Cl OH AlO2 4 偏铝酸钠发生水解反应 加入乙酸乙酯的目的是除去过量的氢氧化钠且加热条件下水解平衡一直正向移动 生成沉淀氢氧化铝 总离子方 程式为 CH3COOCH2CH3 AlO2 2H2O Al OH 3 CH3COO CH3 CH2OH 1000kg 石墨中含有 Al2O351kg 根据元素守 恒 可得到 Al OH 3的质量是 78kg 5 铜的化学性质比石墨活泼 所以应用外加电流的阴极保护法保护铜 所以石墨作阳极 铜作阴极 在图中注明电源的正负极 石墨与正极 相连 铜与负极相连 10 课后练习课后练习 1 草酸 乙二酸 可作还原剂和沉淀剂 用于金属除锈 织物漂白和稀土生产 一种制备草酸 含 2 个结晶水 的 工艺流程如下 回答下列问题 1 CO 和 NaOH 在一定条件下合成甲酸钠 甲酸钠加热脱氢的化学反应方程式分别为 2 该制备工艺中有两次过滤操作 过滤操作 的滤液是 滤渣是 过滤操作 的滤液是 和 滤 渣是 3 工艺过程中 和 的目的是 4 有人建议甲酸钠脱氢后直接用硫酸酸化制备草酸 该方案的缺点是产品不纯 其中含有的杂质主要是 5 结晶水合草酸成品的纯度用高锰酸钾法测定 称量草酸成品0 250 g 溶于水 用0 0500 mol L 1的酸性KMnO4溶液 滴定 至浅粉红色不消褪 消耗 KMnO4溶液15 00 mL 反应的离子方程式为 列式计算该成品的纯度 答案 1 2 NaOH 溶液溶液 CaC2O4 H2C2O4溶液溶液 H2SO4溶液溶液 CaSO4 3 分别循环利用氢氧化钠和硫酸分别循环利用氢氧化钠和硫酸 降低成本降低成本 减小污染减小污染 4 Na2SO4 5 5C2O42 2MnO4 16H 2Mn2 8H2O 10CO2 浸出浸出 2 氧化锌为白色粉末 可用于湿疹 癣等皮肤病的治疗 纯化工业级氧化锌 含有 Fe Mn Ni 等 杂质 的流程如下 提示 在本实脸条件下 Ni 不能被氧化 高锰酸钾的还原产物是 MnO2 回答下列问题 1 反应 中除掉的杂质离子是 发生反应的离子方程式为 加高锰酸钾溶液前 若 pH 较低 对除杂的影响是 2 反应 的反应类型为 过滤得到的滤渣中 除了过量的锌外还有 3 反应 形成的沉淀要用水洗 检验沉淀是否洗涤干净的方法是 4 反应 中产物的成分可能是 ZnCO3 xZn OH 2 取干操后的滤饼 11 2g 煅烧后可得到产品 8 1 g 则 x 等于 答案 1 Fe2 和 Mn2 2 分 3Fe2 MnO4 7H2O 3Fe OH 3 MnO2 5H 2 分 2MnO4 3Mn2 2H2O 5MnO2 4H 2 分 Fe2 和 Mn2 不能生成沉淀 1 分 11 2 置换反应 1 分 镍或 Ni 1 分 3 取最后一次洗涤液少许 先加稀 HCl 再加 BaCl2 aq 若无白色沉淀生成 证明已洗净 2 分 4 ZnCO3 xZn OH 2 ZnO 1 125 99x 1 x 81 11 2 8 1 解得 x 1 3 分 3 二氧化铈 CeO2 是一种重要的稀土氧化物 平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末 含 SiO2 Fe2O3 CeO2以及其他少量可溶于稀酸的物质 某课题组以此粉末为原料回收铈 设计实验流程如下 1 洗涤滤渣 A 的目的是为了去除 填离子符号 检验该离子是否洗涤的方法是 2 第 步反应的离子方程式是 滤渣 B 的主要成分是 3 萃取是分离稀土元素的常用方法 已知化合物 TBP 作为萃取剂能将铈离子从水溶液中萃取出来 TBP 填 能 或 不能 与水互溶 实验室进行萃取操作是用到的主要玻璃仪器有 烧杯 玻璃棒 量筒等 4 取上述流程中得到的 Ce OH 4产品 0 536 g 加硫酸溶解后 用 0 1000 mol L 1 FeSO4标准溶液滴定至终点时 铈被还原为 Ce3 消耗 25 00 mL 标准溶液 该产品中 Ce OH 4的质量分数为 答案 1 滤渣上附着的 Fe3 Cl 取最后洗涤液少量 滴加 AgNO3 如无白色沉淀 则洗干净 2 2CeO2 H2O2 6H 2Ce3 O2 4 H2O SiO2 3 不能 分液漏斗 4 97 01 4 CoCl2 6H2O 在饲料 医药工业上有广泛的用途 下列是以含钴废料 含少量 Fe Al 等杂质 为原料制取 CoCl2 6H2O 的一种新工艺流程 含钴废料加热反应反应调节pH至a过滤 调节pH至2 3操作 减压烘干CoCl2 6H2O 盐酸过氧化氢碳酸钠 滤渣 盐酸 已知 钴与盐酸反应的化学方程式为 Co 2HCl CoCl2 H2 CoCl2 6H2O 熔点 86 易溶于水 常温下稳定无毒 加热至 110 120 时 失去结晶水变成有毒的无水氯化钴 部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的 pH 见下表 沉淀物Fe OH 3Fe OH 2Co OH 2Al OH 3 开始沉淀2 77 57 63 8 完全沉淀3 29 79 25 2 请回答下列问题 加入碳酸钠调节 pH 至 a a 的范围是 操作 包含 3 个基本实验操作 它们是 和过滤 制得的 CoCl2 6H2O 需减压烘干的原因 为测定产品中 CoCl2 6H2O 含量 某同学将一定量的样品溶于水 再向其中加入足量的 AgNO3溶液 过滤 并将 沉淀烘干后称量其质量 通过计算发现产品中 CoCl2 6H2O 的质量分数大于 100 其原因可能是