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PAGEPAGE1专题10化工流程大题近几年高考常以含金属元素(Fe、Cu、Ti、Cr、Mn、W、V、Co等)的生疏物质为载体,将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来,并依据生产流程中有关的化学学问进行设问,考查物质的制备、分别提纯等基本试验原理及操作,生疏化学方程式的书写,产品纯度或产率的化学计算,化工生产相宜条件的选择等。这类试题具有较强的好用性和综合性,能考查考生分析问题和解决问题的实力,是近几年高考的常考题型。1.工艺流程题的解题思路工艺流程题事实上是考查考生运用化学反应原理及相关学问来解决工业生产中实际问题的实力。解此类题目的基本思路:(1)先粗读,从题干中获得有用信息,理清思路。先不必把每个环节的原理都搞清晰。(2)针对问题再精读,分析细微环节,依据问题去探讨某一步或某一种物质。(3)要看清所问问题,不能答非所问,并留意语言表达的规范性。2.工艺流程题的解题方法(1)明确目的,提取有用信息。通过阅读题头,了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息,进而明确生产目的——制备什么物质,找到制备物质时所需的原料及所含杂质,提取出所给的相关信息——化学反应方程式、物质的稳定性、物质的溶解性等。(2)分析流程,弄清各步作用。对比分析流程图中的第一种物质(原料)与最终一种物质(产品),找出原料与产品之间的关系,联系问题有针对性地思索:原料转化为产品的过程中依次进行了什么反应?每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物?杂质是否要除去,采纳什么操作方法除去?(3)看清问题,精确规范作答。这一步很关键,历年的高考评卷分析都指出考生的简述实力比较差,特殊是化学用语的表述与实际要求存在很大偏差。所以答题时要看清问题,不能答非所问,要留意语言表达的科学性和精确性,如分清是要求回答试验操作名称还是详细操作步骤。3.解工业流程题必备学问(1)常用思索方法。①反应原理;②提高原料利用率;③快速反应;④提高产率;⑤提高产品纯度;⑥绿色环保;⑦工业成本低。(2)限制反应条件。①调整pH值的目的:限制溶液的酸碱性使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调pH值所加试剂:一般是含被提纯物质中的金属阳离子对应的金属、金属氧化物、金属氢氧化物或金属碳酸盐(总之,这些物质要能与H+反应,又难溶于水,这样可即使过量而又不会引入新的杂质离子),有时候也可能加NaOH或氨水来调pH值,要据题意详细分析(一般是加的Na+、NH4+不会在后续的程序中难以分别)。pH值的调整范围:据题意告知的某离子完全沉淀或起先沉淀的pH值数据来选择,不能随意更改,应当是题目中原始数据的组合。(3)物质的分别和提纯的方法。①结晶(重结晶);②过滤;③趁热过滤;④洗涤(水洗,冰水洗涤,醇洗);⑤蒸馏:液、液分别(主要仪器:蒸馏烧瓶、温度计、冷凝管、尾接管);⑥蒸发(试验仪器:蒸发皿、铁架台、玻璃棒、坩埚钳、酒精灯);⑦萃取;⑧分液(主要仪器:分液漏斗);⑨升华;⑩盐析:加无机盐使溶质的溶解度降低而析出。⑪灼烧:高温条件下固体物质的燃烧(主要仪器:坩埚);⑫煮沸:目的通常是除去溶解在水中的气体(通常为O2),或是为了促进水解,聚沉后便于过滤分别。4.常见文字叙述规范套路(重要)(1)如何进行滴定终点的推断?答:当滴入最终一滴标准液时,溶液颜色由××颜色变为##颜色,且半分钟内不复原原色。(注:只写“变色”或“褪色”不得分)(2)洗涤沉淀的方法:往漏斗中加入蒸馏水至没过沉淀物,待水自然流下后,重复以上操作2~3次。(3)检验沉淀是否洗涤干净的方法:取最终一次的洗涤液,滴加××试剂(可与杂质的某些离子发生沉淀反应),假如没有沉淀生成,说明沉淀洗涤干净;否则说明沉淀未洗涤干净。(注:这种状况因为离子浓度较低,应当选用反应灵敏的特征反应。此时一般不用焰色反应试验检验)。(4)检验沉淀是否完全的方法:静置,向上层清液中接着滴加××试剂,若没有沉淀生成,说明沉淀完全;若出现沉淀则说明沉淀未完全。(5)如何进行萃取操作?答:在分液漏斗中加溶液和萃取剂,右手堵住漏斗上口塞,左手握活塞,倒转用力振荡,放气,正立放铁圈上静置。主要考查方面:一、以物质制备为目的的化学工艺流程1.原料处理阶段的常见考查点(1)加快反应速率(2)溶解:通常用酸溶。如用稀硫酸、盐酸、浓硫酸等。(3)灼烧、焙烧、煅烧:变更结构,使一些物质能溶解,并使一些杂质高温下氧化、分解。2.分别提纯阶段的常见考查点(1)调pH除杂①限制溶液的酸碱性使其中的某些金属离子形成氢氧化物沉淀。如若要除去Al3+、Mg2+溶液中含有的Fe2+,先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调溶液的pH。②调整pH所需的物质一般应满意两点:一能与H+反应,使溶液pH增大;二不引入新杂质。例如,若要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调整溶液的pH。(2)加热:加快反应速率或促进平衡向某个方向移动。假如在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物,则要留意对温度的限制。如侯氏制碱法中的NaHCO3;还有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质。(3)降温:防止某物质在高温时溶解(或分解);使化学平衡向着题目要求的方向移动。3.获得产品阶段的常见考查点(1)洗涤(冰水、热水):洗去晶体表面的杂质离子,并削减晶体在洗涤过程中的溶解损耗;乙醇洗涤既可洗去晶体表面的杂质,又可削减晶体溶解的损耗。(2)蒸发时的气体氛围抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。(3)蒸发浓缩、冷却结晶:如NaCl和K2Cr2O7混合溶液,若将混合溶液加热蒸发后再降温,则析出的固体主要是K2Cr2O7,这样就可分别出大部分K2Cr2O7;同样原理可除去KNO3中的少量NaCl。(4)蒸发结晶、趁热过滤:如NaCl和K2Cr2O7混合溶液,若将混合溶液蒸发一段时间,析出的固体主要是NaCl,同样原理可除去NaCl中的少量KNO3。例1Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料,可利用钛铁矿(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”试验中,铁的浸出率结果如图所示。由图可知,当铁的浸出率为70%时,所采纳的试验条件为__________________________。(2)“酸浸”后,钛主要以TiOCleq\o\al(2-,4)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40min所得试验结果如下表所示:温度/℃3035404550TiO2·xH2O转化率/%9295979388分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的缘由______________________________。(4)Li2Ti5O15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+)=0.02mol·L-1,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍),使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1,此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?_______________(列式计算)。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:__________________。[学审题析题]【答案】(1)100℃、2h,90℃、5h(2)FeTiO3+4H++4Cl-=Fe2++TiOCleq\o\al(2-,4)+2H2O(3)低于40℃,TiO2·xH2O转化反应速率随温度上升而增加;超过40℃,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降(4)4(5)Fe3+恰好沉淀完全时,c(POeq\o\al(3-,4))=eq\f(1.3×10-22,1.0×10-5)mol·L-1=1.3×10-17mol·L-1,c3(Mg2+)·c2(POeq\o\al(3-,4))值为0.013×(1.3×10-17)2≈1.7×10-40<Ksp[Mg3(PO4)2],因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀(6)2FePO4+Li2CO3+H2C2O4eq\o(=,\s\up7(高温),\s\do5())2LiFePO4+3CO2↑+H2O例2重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示:回答下列问题:(1)步骤①的主要反应为:FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3eq\o(→,\s\up7(高温),\s\do5())Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为________。该步骤不能运用陶瓷容器,缘由是______________________________________________________。(2)滤渣1中含量最多的金属元素是________,滤渣2的主要成分是________及含硅杂质。(3)步骤④调滤液2的pH使之变________(填“大”或“小”),缘由是____________(用离子方程式表示)。(4)有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到________(填标号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。a.80℃ b.60℃c.40℃ d.10℃步骤⑤的反应类型是________________。(5)某工厂用m1kg铬铁矿粉(含Cr2O340%)制备K2Cr2O7,最终得到产品m2kg,产率为________________。【答案】(1)2∶7陶瓷在高温下会与Na2CO3反应(2)FeAl(OH)3(3)小2CrOeq\o\al(2-,4)+2H+Cr2Oeq\o\al(2-,7)+H2O(4)d复分解反应(5)eq\f(190m2,147m1)×100%【解析】(1)1molFeO·Cr2O3参加反应共失去7mol电子,而1molNaNO3参加反应得到2mol电子,依据得失电子守恒,二者的系数比为2∶7。由于高温下碳酸钠能与陶瓷中的二氧化硅发生反应,所以该步骤二、以分别提纯为目的的化学工艺流程1.物质分别提纯的原则(1)不增:不引入新的杂质。(2)不减:不削减被提纯的物质。(3)易分别:被提纯物与杂质易于分别。(4)易复原:被提纯的物质易复原原来的组成、状态。2.常用的提纯方法水溶法除去可溶性杂质酸溶法除去碱性杂质碱溶法除去酸性杂质氧化剂或还原剂法除去还原性或氧化性杂质加热灼烧法除去受热易分解或易挥发的杂质调整溶液的pH法如除去酸性Cu2+溶液中的Fe3+等3.常用的分别方法过滤分别难溶物和易溶物,依据特殊须要采纳趁热过滤或者抽滤等方法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别物质,如用CCl4或苯萃取溴水中的溴蒸发结晶提取溶解度随温度变更不大的溶质,如NaCl冷却结晶提取溶解度随温度变更较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物,如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等蒸馏或分馏分别沸点不同且互溶的液体混合物,如分别乙醇和甘油冷却法利用气体液化的特点分别气体,如合成氨工业采纳冷却法分别平衡混合气体中的氨气例3.以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避开污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为:物质V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3质量分数/%2.2~2.92.8~3.122~2860~651~2<1以下是一种废钒催化剂回收工艺路途:回答下列问题:(1)“酸浸”时V2O5转化为VOeq\o\al(+,2),反应的离子方程式为________________________________________________________________________,同时V2O4转化成VO2+。“废渣1”的主要成分是________。(2)“氧化”中欲使3mol的VO2+变为VOeq\o\al(+,2),则须要氧化剂KClO3至少为________mol。(3)“中和”作用之一是使钒以V4Oeq\o\al(4-,12)形式存在于溶液中。“废渣2”中含有________。(4)“离子交换”和“洗脱”可简洁表示为:4ROH+V4Oeq\o\al(4-,12)eq\o(,\s\up7(离子交换),\s\do5(洗脱))R4V4O12+4OH-(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率,淋洗液应当呈________性(填“酸”“碱”或“中”)。(5)“流出液”中阳离子最多的是________。(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀,写出“煅烧”中发生反应的化学方程式________________________________________________________________________。[学审题析题]【答案】(1)V2O5+2H+=2VOeq\o\al(+,2)+H2OSiO2(2)0.5(3)Fe(OH)3和Al(OH)3(4)碱(5)K+(6)2NH4VO3eq\o(=,\s\up7(高温))V2O5+H2O+2NH3↑例4.污染物的有效去除和资源的充分利用是重要的探讨课题。某化学探讨小组利用软锰矿(主要成分为MnO2,另含有少量铁、铝、铜、镍等金属的化合物)作脱硫剂,通过如下简化流程既脱除燃煤尾气中的SO2,又制得电池材料MnO2(反应条件已略去)。请回答下列问题:(1)若将SO2气体通入下列溶液中,会褪色的是________(填字母)。A.品红溶液 B.紫色石蕊溶液C.酸性KMnO4溶液 D.溴水(2)用MnCO3能除去溶液中的Al3+和Fe3+,其缘由是_____________________________。(3)分别写出MnS除去溶液中的Cu2+和Ni2+的离子方程式:_______________________、________________________。(4)写出KMnO4和MnSO4溶液反应生成MnO2的化学方程式:____________________。(5)若要制得硫酸锰晶体(MnSO4·H2O,相对分子质量为169),可以将除杂后得到的MnSO4溶液通过__________(填操作名称)而制得。【答案】(1)ACD(2)消耗溶液中的酸,使Fe3+和Al3+水解生成氢氧化物沉淀(3)MnS+Cu2+=CuS+Mn2+MnS+Ni2+=NiS+Mn2+(4)2KMnO4+3MnSO4+2H2O=5MnO2↓+K2SO4+2H2SO4(5)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤例5以工业生产硼砂所得废渣硼镁泥为原料制取MgSO4·7H2O的过程如图所示:硼镁泥的主要成分如下表:MgOSiO2FeO、Fe2O3CaOAl2O3B2O330%~40%20%~25%5%~15%2%~3%1%~2%1%~2%回答下列问题:(1)“酸解”时应当加入的酸是________,“滤渣1”中主要含有________(写化学式)。(2)“除杂”时加入次氯酸钙、氧化镁的作用分别是___________、__________________。(3)推断“除杂”基本完成的检验方法是______________________________。(4)分别滤渣3应趁热过滤的缘由是____________________________________。【答案】(1)H2SO4SiO2(2)将Fe2+氧化为Fe3+调整溶液pH,使Fe3+、Al3+以氢氧化物的形式沉淀除去(3)取滤液将其酸化后滴加KSCN溶液,若溶液未变红,则说明除杂完全(4)防止MgSO4·7H2O结晶析出例6“分子筛”是一种具有多孔结构的铝硅酸盐(NaAlSiO4·nH2O),其中有很多笼状孔穴和通道能让直径比孔穴小的分子通过而将大的分子留在外面,故此得名。利用铝灰(主要成分为Al、Al2O3、AlN、FeO等)制备“分子筛”的一种工艺如下:(1)分子筛的孔道直径为4A称为4A型分子筛;当Na+被Ca2+取代时就制得5A型分子筛,当Na+被K+取代时就制得3A型分子筛。要高效分别正丁烷(分子直径为4.65A)和异丁烷(分子直径为5.6A)应当选用________型的分子筛。(2)铝灰在90℃时水解的化学方程式为____________________________;“水解”采纳90℃而不在室温下进行的缘由是_________________________________。(3)“酸溶”时,为降低生产成本,应选择的酸为__________,理由是_____________。(4)“氧化”时,发生的主要反应的离子方程式为____________________________。(5)该工艺中滤渣的成分是________。(6)“胶体”调整pH后过滤所得“晶体”需洗涤,如何证明该晶体已经洗涤干净?_________________。【答案】(1)5A(2)AlN+3H2Oeq\o(=,\s\up7(90℃))Al(OH)3+NH3↑加快AlN水解反应速率;降低NH3在水中的溶解度,促使NH3逸出(3)盐酸电解时生成的氢气和氯气可以制备盐酸(4)2Fe2++2H++ClO-=2Fe3++Cl-+H2O(5)Fe(OH)3(6)取最终一次洗涤液少许,加入浓氢氧化钠溶液并微热,若不能产生使潮湿的红色石蕊试纸变蓝的气体,则洗涤干净,否则未洗涤干净(或取最终一次洗涤液少许,加稀硝酸酸化,再加硝酸银溶液,若不能产生白色沉淀,则洗涤干净,否则未洗涤干净)例7PFS是水处理中重要的絮凝剂,下图是以回收的废铁屑为原料制备PFS的一种工艺流程。(1)酸浸槽以及聚合釜中用到的酸应是________;PFS中铁元素的化合价为________;在酸浸槽中,为了提高浸出率,可以实行的措施有________________(写两条)。(2)若废铁屑中含有较多铁锈(Fe2O3·xH2O),则酸浸时反应的化学方程式有________________________。(3)假如反应釜中用H2O2作氧化剂,则反应的离子方程式为_______________;生产过程中,发觉反应釜中产生了大量的气体,且温度明显上升,其缘由可能是______________________。(4)聚合釜中溶液的pH必需限制在肯定的范围内。假如溶液酸性过强,造成的后果是____________________。假如溶液酸性太弱又会生成大量的氢氧化铁沉淀。若溶液中Fe3+的浓度为1mol·L-1,当Fe3+起先沉淀时,溶液的pH约为________。[已知Fe(OH)3的Ksp≈1.0×10-39]。【答案】(1)H2SO4+3加热、搅拌、多次浸取等(2)Fe2O3·xH2O+3H2SO4=Fe2(SO4)3+(3+x)H2O、Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑(3)2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2OH2O2与Fe2+的反应为放热反应,加入的H2O2过多,且生成的Fe3+能作H2O2分解的催化剂,H2O2发生分解反应,生成了O2(4)影响Fe3+与OH-的结合(合理答案均可)1【解析】(1)絮凝剂是硫酸盐,制备时不能引入杂质,要用硫酸酸浸;依据[Fe2(OH)x(SO4)3-x/2]y中各元素正负化合价的代数和为0,得铁的化合价为+3。(2)Fe2O3·xH2O和Fe均与硫酸反应。(4)Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+,酸性过强,Fe3+水解平衡逆向移动,不利于Fe(OH)3的生成;若溶液中Fe3+的浓度为1mol·L-1,当Fe3+起先沉淀时,Ksp[Fe(OH)3]=1.0×10-39=c(Fe3+)·c3(OH-),则1.0×10-39=1mol·L-1×c3(OH-),解得c(OH-)=10-13mol·L-1,则c(H+)=0.1mol·L-1,所以pH=1。例8醋酸镍[(CH3COO)2Ni]是一种重要的化工原料。一种以含镍废料(含NiS、Al2O3、FeO、CaO、SiO2)为原料,制取醋酸镍的工艺流程图如下:相关离子生成氢氧化物的pH和相关物质的溶解性如下表:金属离子起先沉淀的pH沉淀完全的pH物质20℃时溶解性(H2O)Fe3+1.13.2CaSO4微溶Fe2+5.88.8NiF2可溶Al3+3.05.0CaF2难溶Ni2+6.79.5NiCO3Ksp=9.60×10-6(1)调整pH步骤中,溶液pH的调整范围是____________。(2)滤渣1和滤渣3主要成分的化学式分别是________、________。(3)写出氧化步骤中加入H2O2发生反应的离子方程式:___________________________。(4)酸浸过程中,1molNiS失去6NA个电子,同时生成两种无色有毒气体。写出该反应的化学方程式:______________________________________。(5)沉镍过程中,若c(Ni2+)=2.0mol·L-1,欲使100mL该滤液中的Ni2+沉淀完全[c(Ni2+)≤10-5mol·L-1],则须要加入Na2CO3固体的质量最少为________g。(保留小数点后1位有效数字)(6)保持其他条件不变,在不同温度下对含镍废料进行酸浸,镍浸出率随时间变更如图。酸浸的最佳温度与时间分别为________℃、________min。【答案】(1)5.0≤pH<6.7(2)SiO2、CaSO4CaF2(3)2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O(4)NiS+H2SO4+2HNO3=NiSO4+SO2↑+2NO↑+2H2O(5)31.4(6)70120NO,依据得失电子守恒、原子守恒可写出反应的化学方程式。(5)Ni2+沉淀完全时溶液中c(COeq\o\al(2-,3))=eq\f(KspNiCO3,cNi2+)=eq\f(9.60×10-6,10-5)=0.96mol·L-1,故须要加入Na2CO3的质量最少为[0.96mol·L-1×0.1L+(2.0mol·L-1-10-5mol·L-1)×0.1L]×106g·mol-1=31.4g。例9硫酸锌可用于制造锌钡白、印染媒染剂等。用锌白矿(主要成分为ZnO,还含有Fe2O3、CuO、SiO2等杂质)制备ZnSO4·7H2O的流程如下:相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(起先沉淀的pH按金属离子浓度为1.0mol·L-1计算)如表所示:金属离子起先沉淀的pH沉淀完全的pHFe3+1.13.2Fe2+5.88.8Zn2+6.48.0(1)“滤渣1”的主要成分为________(填化学式)。“酸浸”过程中,提高锌元素浸出率的措施有:适当提高酸的浓度、____________(填一种)。(2)“置换”过程中,加入适量的锌粉,除与溶液中的Fe3+、H+反应外,另一主要反应的化学方程式为______________________________________。(3)“氧化”一步中,发生反应的离子方程式为________________________________。溶液pH限制在[3.2,6.4)之间的目的是____________________________________。(4)“母液”中含有的盐类物质有____________(填化学式)。【答案】(1)SiO2粉碎锌白矿(或充分搅拌浆料、适当加热等)(2)Zn+CuSO4=Cu+ZnSO4(3)3Fe2++MnOeq\o\al(-,4)+7ZnO+9H+=3Fe(OH)3+MnO2+7Zn2+使Fe3+沉淀完全,而Zn2+不沉淀(4)ZnSO4、K2SO4例10某科研小组采纳如下方案回收一种光盘金属层中的少量Ag(金属层中其他金属含量过低,对试验的影响可忽视)。已知:①NaClO溶液在受热或酸性条件下易分解,如:3NaClO=2NaCl+NaClO3②AgCl可溶于氨水:AgCl+2NH3·H2OAg(NH3)eq\o\al(+,2)+Cl-+2H2O③常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3)eq\o\al(+,2):4Ag(NH3)eq\o\al(+,2)+N2H4·H2O=4Ag↓+N2↑+4NHeq\o\al(+,4)+4NH3↑+H2O(1)“氧化”阶段需在80℃条件下进行,相宜的加热方式为________________。(2)NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2,该反应的化学方程式为__________________________________。HNO3也能氧化Ag,从反应产物的角度分析,以HNO3代替NaClO的缺点是___________________________________________。(3)为提高Ag的回收率,需对“过滤Ⅱ”的滤渣进行洗涤,并_____________________。(4)若省略“过滤Ⅰ”,干脆向冷却后的反应容器中滴加10%氨水,则须要增加氨水的用量,
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