2025年高三化学高考工艺流程题中绿色化学思想模拟试题

2025年高三化学高考工艺流程题中绿色化学思想模拟试题工艺流程题一：从氯化烟尘中提取氧化钪（Sc₂O₃）工艺流程背景与设计思路稀土元素钪（Sc）作为高性能材料的关键成分，其提取工艺需兼顾效率与环保要求。某科研团队以高温沸腾氯化生产四氯化钛时排放的氯化烟尘（主要含ScCl₃、FeCl₃、FeCl₂等）为原料，设计了如下绿色工艺流程：工艺流程图氯化烟尘→酸浸→还原→萃取（TBP有机相）→反萃取→沉钪→灼烧→Sc₂O₃核心问题与绿色化学思想应用1.预处理阶段：酸浸与还原工艺的优化（1）酸浸速率的调控已知酸度和温度对钪浸出率影响不明显，且烟尘已为粉末状。为提高酸浸效率，可采取的操作是搅拌，通过增加固液接触面积加快溶解速率，避免因过度加热导致能耗增加或HCl挥发污染。（2）还原步骤的绿色化学意义加入铁粉将Fe³⁺还原为Fe²⁺，反应为：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺。根据已知信息，Fe³⁺易被萃取剂TBP萃取，而Fe²⁺难萃取。此步骤通过选择性还原减少铁元素进入有机相，降低后续分离难度，体现了“原子经济性”原则，避免引入新杂质。2.分离提纯：萃取与反萃取的平衡调控（3）萃取平衡的移动原理Sc³⁺与TBP的萃取反应为：Sc³⁺+3Cl⁻+nTBP⇌ScCl₃·nTBP（有机相）。反萃取时通过加水稀释，降低水相中Cl⁻浓度，使平衡逆向移动，Sc³⁺从有机相转移至水相，实现钪与铁的分离。该过程无需额外化学试剂，符合“低毒低耗”的绿色理念。（4）反萃取酸度的精准控制实验表明，当盐酸浓度为2~3mol/L时，Sc³⁺反萃取率＞95%，而Fe³⁺反萃取率＜5%。通过控制水相酸度，可实现钪的高效富集，减少后续沉钪步骤的原料消耗。3.沉淀与灼烧：资源循环与污染控制（5）沉钪过程的pH计算用NaOH溶液沉淀Sc³⁺生成Sc(OH)₃，需确保c(Sc³⁺)≤10⁻⁵mol/L以达到完全沉淀。已知Ksp[Sc(OH)₃]=2×10⁻³¹，计算得：[c(OH^-)=\sqrt[3]{\frac{K_{sp}}{c(Sc^{3+})}}=\sqrt[3]{\frac{2×10^{-31}}{10^{-5}}}=\sqrt[3]{2×10^{-26}}\approx2.7×10^{-9},\text{mol/L}][pH=14-pOH=14-(-\lg2.7×10^{-9})\approx5.4]通过精确控制pH=5.4，既能保证钪的完全沉淀，又避免NaOH过量导致盐类浪费。（6）灼烧过程的绿色转化沉钪后得到的Sc(OH)₃经草酸处理生成Sc₂(C₂O₄)₃，灼烧时发生反应：[Sc_2(C_2O_4)_3\xlongequal{\Delta}Sc_2O_3+3CO_2↑]产物CO₂可收集用于其他化工过程（如碳酸化反应），实现“废物资源化”，减少温室气体排放。4.工艺评价与拓展该流程通过梯级分离（还原→萃取→反萃取）和闭环设计（CO₂回收），钪的总回收率达85%以上，且全程无重金属废水排放。相比传统溶剂萃取法，减少有机相用量30%，能耗降低20%，体现了“减量化、再利用、再循环”的绿色化学核心思想。工艺流程题二：细菌冶金法回收载金硫化矿中的金工艺流程创新与生态效益某金矿采用传统焙烧法处理载金硫化矿时，因产生SO₂导致大气污染。现改用细菌冶金技术，利用氧化亚铁硫杆菌将硫化物转化为可溶性硫酸盐，工艺流程如下：工艺流程图载金硫化矿粉→细菌氧化→过滤→浸金（NaCN溶液）→沉金→金单质关键步骤与绿色化学分析1.细菌氧化的环境友好性（1）“胆水”冶金的现代应用北宋时期利用天然“胆水”（主要成分为CuSO₄）冶铜，反应为Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu。本工艺中，细菌将硫化矿中的FeS₂氧化为Fe₂(SO₄)₃和H₂SO₄，离子方程式为：[4FeS_2+15O_2+2H_2O\xlongequal{\text{细菌}}4Fe^{3+}+8SO_4^{2-}+4H^+]与焙烧法相比，细菌氧化在常温常压下进行，无需高温设备，能耗降低40%，且避免SO₂排放，实现“零污染”硫化物转化。2.浸金与沉金的低毒化改进（2）氰化浸金的绿色调控传统浸金反应为：4Au+8NaCN+O₂+2H₂O=4Na[Au(CN)₂]+4NaOH。为减少CN⁻毒性，加入H₂O₂作为氧化剂，发生反应：2[Au(CN)₂]⁻+H₂O₂+2OH⁻=2Au↓+4CN⁻+2H₂O+O₂↑。H₂O₂的还原产物为O₂和H₂O，避免二次污染，且CN⁻可循环使用，降低药剂消耗。（3）沉金工艺的pH控制沉金时需控制溶液pH=9~10，若pH过低，CN⁻与H⁺结合生成HCN气体（剧毒）；若pH过高，Au⁺会形成Au(OH)沉淀导致损失。通过加入Na₂CO₃调节pH，相比NaOH具有缓冲作用，减少局部碱度过高的问题。3.工艺对比与可持续发展指标传统焙烧法细菌冶金法能耗高（需800℃焙烧）低（常温反应）污染物排放SO₂、粉尘无有害气体金浸出率75%92%生产成本高（设备维护）低（细菌可繁殖）细菌冶金法通过生物转化替代化学氧化，不仅提高金的浸出率，还实现了“以废治废”——利用矿山酸性废水培养细菌，降低处理成本。工艺流程题三：从钨锰矿渣中提取钪与锰综合回收与循环经济设计某钨锰矿渣含WO₃、MnO、Sc₂O₃及铁的氧化物，采用“分级萃取-沉淀-热解”工艺回收钪和锰，同时副产铁红（Fe₂O₃），实现“一渣多产”。绿色化学亮点解析1.萃取剂的再生与循环使用P204萃取剂分离Sc³⁺和Mn²⁺，萃取反应为：Sc³⁺+3HA（有机相）⇌ScA₃（有机相）+3H⁺。反萃取时加入稀硫酸，使平衡逆向移动，释放Sc³⁺并再生HA，再生率＞90%，减少有机废液排放。2.沉锰过程的CO₂资源化用NH₄HCO₃沉淀Mn²⁺生成MnCO₃，反应为Mn²⁺+2HCO₃⁻=MnCO₃↓+CO₂↑+H₂O。逸出的CO₂通入沉钪后的废液中，调节pH=6.5~7.0，使过量的NaOH转化为Na₂CO₃回收，实现“碳循环”。3.热解过程的能量梯级利用MnCO₃在500℃热解生成MnO和CO₂，反应为MnCO₃⇌MnO+CO₂↑-Q。产生的CO₂用于沉锰工序，热解尾气余热用于烘干矿渣，综合能耗降低25%，体现“能量多级利用”原则。总结与高考命题趋势分析2025年高考化学工艺流程题将更注重真实工业情境与绿色化学融合，命题方向包括：工艺优化：从速率、平衡角度分析试剂选择（如pH控制、萃取剂浓度）；环境保护：评估污染物处理（如气体吸收、废水循环）和资源回收（如CO