高三化学一轮复习讲义 20　第一篇　第二部分　专题3　第15讲　无机化工流程的解题策略(能力课)

第15讲无机化工流程的解题策略(能力课)1．以化工流程为载体掌握物质的性质、转化反应和反应条件的控制及产率的提高措施等。2．以化工流程为载体掌握物质的分离、提纯原理、方法和仪器、操作等。建立思维模型1．明确试题模式图1图2图3图1箭头表示反应物加入同时生成物出来；图2箭头表示反应物分步加入和生成物出来；图3箭头表示循环反应。2．建立思维模型——“三步审读”(1)审题干——明确原料成分和目的要求(2)审流程——明确各步转化原理和目的①看箭头：进入的是原料(即反应物)；出去的是生成物(包括主产物和副产物)。②看三线：主线主产品、分支副产品、回头为循环。③找信息：明确反应条件和分离提纯方法。④关注所加物质的可能作用：参与反应、提供反应氛围、满足定量要求。(3)审问题——明确答什么①防止答非所问：要看清题目要求，按要求答题。②规范表述：回答问题要准确全面，注意语言表达的规范性，特别是化学用语表示要准确、规范。(2022·辽宁卷)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3，含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4，工艺流程如下：已知：①焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3，FeS2转变为Fe2O3；②金属活动性：Fe>(H)>Bi>Cu；③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下：开始沉淀pH完全沉淀pHFe2+6.58.3Fe3+1.62.8Mn2+8.110.1回答下列问题：(1)为提高焙烧效率，可采取的措施为________。a．进一步粉碎矿石b．鼓入适当过量的空气c．降低焙烧温度(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3，反应的化学方程式为____________________________________________________________________。(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为①充分浸出Bi3+和Mn2+；②_________________________________________________________________。(4)滤渣的主要成分为________(填化学式)。(5)生成气体A的离子方程式为_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)加入金属Bi的目的是__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。提升解题能力以分离提纯为主体的化工流程1．原料的预处理(1)溶解：通常用酸溶，如用稀硫酸、盐酸等。水浸与水接触发生反应或溶解浸出固体加水(酸)溶解得到离子酸浸在酸溶液中反应，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去浸出率固体溶解后，离子在溶液中的含量的多少(2)灼烧、焙烧、煅烧：改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质在高温下氧化、分解。增大矿石物质的浸出率的措施有：搅拌、加热、升温、增大浸出液的浓度、粉碎矿石增大固液接触面积、延长浸出时间。2．常用的分离方法过滤分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法萃取利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质，包括液—液萃取和固—液萃取，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴分液利用分液漏斗将两种互不混溶的液体分离开的操作，如分离油水蒸发结晶提取溶解度随温度变化不大或受热稳定的溶质，如NaCl蒸发浓缩、冷却结晶提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等蒸馏或分馏分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油冷却法利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离混合气体中的氨气3．分离、提纯的深化(1)特定洗涤目的冰水洗涤的目的洗去晶体表面的杂质离子并降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗乙醇洗涤的目的降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，得到较干燥的产物减压过滤(抽滤)加快过滤速率，使沉淀更干燥晶体的干燥：要得到干燥的晶体，常见的干燥方法有自然晾干、滤纸吸干、在干燥器中干燥、烘干(适用于热稳定性较好的物质)。(2)调节溶液pH分离提纯①控制溶液的酸、碱性使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀。物质开始沉淀沉淀完全Fe(OH)31.53.7Fe(OH)27.69.6Mn(OH)28.39.8若要除去Mn2+溶液中含有的Fe2+、Fe3+，可先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+，再调节溶液的pH在3.7≤pH<8.3。②调节pH所需的物质应能与H＋反应，使溶液pH增大；不引入新杂质。例如：要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+，可加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2OH2(2022·广东卷，T18节选)稀土(RE)包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：已知：月桂酸(C11H23COOH)熔点为44℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持＋3价不变；(C11H23COO)2Mg的Ksp＝1.8×10-8，Al(OH)3开始溶解时的pH为8.8；有关金属离子沉淀的相关pH见下表。离子Mg2+Fe3+Al3+RE3+开始沉淀时的pH8.81.53.66.2～7.4沉淀完全时的pH—3.24.7—(1)“氧化调pH”中，化合价有变化的金属离子是________。(2)“过滤1”前，用NaOH溶液调pH至______________的范围内，该过程中Al3+发生反应的离子方程式为______________________________________________________________________________________________________________。(3)“过滤2”后，滤饼中检测不到Mg元素，滤液2中Mg2+浓度为2.7g·L-1。为尽可能多地提取RE3+，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO－)低于________mol·L-1(保留两位有效数字)。(4)①“加热搅拌”有利于加快RE3+溶出、提高产率，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________。②“操作X”的过程为先____________，再固液分离。(5)该工艺中，可再生循环利用的物质有______(写化学式)。1．(2025·江苏镇江期中)废旧锂离子电池正极材料的主要成分为LiCoO2，还含有少量的铝箔，可作为含钴废料回收钴和锂，工艺流程如下：(1)基态Co原子外围电子排布式为________。(2)“酸浸”过程中有O2放出，反应的化学方程式为________。(3)“萃取”的反应原理为Co2+＋2HR(有机相)⥬CoR2(有机相)＋2H＋。①“反萃取”时从有机相中分离出钴元素可加入的试剂X为________(填字母)。a．NaOH溶液 b．稀硫酸c．Co(OH)2溶液 d．HR溶液②“萃取”和“反萃取”操作的目的是_________________________________。(4)“沉钴”时，向含Co2+的溶液中滴加Na2CO3溶液，Na2CO3溶液浓度不能过大且滴速不宜太快的原因为______________。(5)钴酸锂(LiCoO2)的晶胞结构如图所示，各离子位于晶胞的顶点、棱和体内。1个晶胞中含有Co3+的数目为______________。(6)CoCO3在空气中加热时，固体残留率随温度的变化如图所示。1000℃时，剩余固体的成分的化学式为__________(写出计算过程)。以物质制备为主体的化工流程1．物质制备过程的控制条件(1)控制体系的环境氛围①需要在酸性气流中干燥FeCl3、AlCl3、MgCl2等含水晶体，抑制水解并带走因分解产生的水蒸气。②营造还原性氛围，防止还原性物质被氧化。如加入铁粉防止Fe2+被氧化。③加入氧化剂进行氧化。如加入绿色氧化剂H2O2将Fe2+氧化为Fe3+，绿色氧化剂H2O2的优点：不引入新杂质，对环境无污染。(2)控制反应温度①加热：加速溶解、加快反应速率或促进平衡向某个方向移动(如促进水解生成沉淀)。②降温：防止某物质在某温度时会溶解或分解，或促进平衡向某个方向移动。③控制温度在一定范围内，综合多方面因素考虑，如使反应速率不至于太慢、抑制或促进平衡移动、防止反应物分解、防止副反应发生、使催化剂的催化活性最高等。④如题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要根据它们溶解度随温度升高而改变的情况，寻找合适的结晶分离方法。2．从对反应速率和平衡转化率的影响综合控制条件(1)使催化剂的活性达到最高：如工业合成氨或SO2的催化氧化反应，选择的温度是500℃左右，原因之一就是这样可使催化剂的活性达到最高。(2)对于一些工艺来说，降温或减压都可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的目的。(2024·南京外国语、金陵中学、海安中学2024届高三三校联考)钴、镍是重要的战略金属，在工业中占据重要地位。以湿法炼锌过程中产出的钴渣为原料，分离回收钴渣中钴、镍的工艺流程如下：已知：①酸浸液主要含有Zn2+、Co2+、Fe2+、Ni2+、Mn2+等金属阳离子；②下表列出了相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(开始沉淀的pH按金属离子浓度为0.1mol·L-1金属离子Zn2+Fe3+Fe2+Mn2+Co2+Ni2+开始沉淀的pH6.21.56.38.17.66.9完全沉淀的pH8.22.88.310.19.28.9(1)酸浸。投料后，保持温度、浸取时间不变，能提高金属元素浸出率的措施有________________________________________(写一条)。(2)除铁。先向酸浸液中加入H2O2，反应完成后加入CaCO3调节溶液pH至4.0～4.5，得到滤渣1的主要成分为______________________(填化学式)。(3)除镍。Ni2+与丁二酮肟()反应生成鲜红色沉淀，可以用来检验Ni2+的存在。①丁二酮肟分子中σ键与π键数目之比为________。②Ni2+与丁二酮肟以物质的量之比1∶2发生反应生成配合物，分子中含有2个五元环，且通过氢键形成两个六元环，补充完整下图中该配合物的结构并标注出氢键。(4)除锰。在酸性条件下，向除镍后滤液中加入Na2S2O8溶液选择性氧化Mn2+，反应生成MnO2和SO42-的离子方程式为(5)沉钴。向除锰后的溶液中加入Na2S2O8溶液并控制溶液pH氧化沉Co2+。将Co(OH)3隔绝空气灼烧会生成Co2O3；如果控制温度不当，Co(OH)3会生成CoO杂质，反应的化学方程式是________________________；铁、钴、镍属于中等活泼的金属，根据流程可知：Co2+的还原性________(填“强于”或“弱于”)Fe2+。(6)上述流程中________(填字母)可返回湿法炼锌系统回收锌。A．浸渣 B．滤渣1C．滤渣3 D．滤液2．SrCO3是一种重要的含锶化合物，广泛应用于许多领域。以天青石(主要成分为SrSO4)为原料制备SrCO3的一种工艺方法如下：天青石主要元素质量分数如下：元素SrBaCaAlSi质量分数(%)36.42.04.00.55.0Ksp(SrSO4)＝3.4×10-7，Ksp(BaSO4)＝1.0×10-10。回答下列问题：(1)天青石与碳粉在一定投料比下“煅烧”生成SrS和碳氧化物，据矿样成分分析结果计算得出，生成CO2、CO时失重率分别为30.4%、38.6%，实际热重分析显示失重率为32.6%，则“煅烧”中主要生成的碳氧化物为________(填“CO”或“CO2”)。(2)“煅烧”过程中还可能产生少量对环境有危害的气体，化学式为________和________。(3)“水浸”后滤渣的主要成分除CaSiO3和C外，还有两种氧化物，化学式为____________和____________。(4)“水浸”时需加热，SrS与热水作用后的溶液呈碱性的主要原因为_____________________________________________________________________________________________________________________(用化学方程式表示)(5)“水浸”后的滤液中c(Sr2+)＝0.680mol·L-1，c(Ba2+)＝0.024mol·L-1，“除杂”过程中(忽略H2SO4溶液引起的体积变化)，为使Sr2+不沉淀，应控制溶液中c(Ba2+)>____mol·L-1。(6)“沉锶”过程中，可溶性Sr(OH)2发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________。1．(2022·江苏卷，T16节选)实验室以二氧化铈CeO2(1)“酸浸”时CeO2与H2O2反应生成Ce3+并放出O2，该反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)pH约为7的CeCl3溶液与NH4HCO3溶液反应可生成Ce2(CO3)3沉淀，该沉淀中Cl－含量与加料方式有关。得到含Cl－量较少的Ce2CO33的加料方式为A．将NH4HCO3溶液滴加到CeCl3溶液中B．将CeCl3溶液滴加到NH4HCO3溶液中(3)通过中和、萃取、反萃取、沉淀等过程，可制备Cl－含量少的Ce2(CO3)3。已知Ce3+能被有机萃取剂(简称HA)萃取，其萃取原理可表示为Ce3+(水层)＋3HA(有机层)⥬Ce(A)3(有机层)＋3H＋(水层)①加氨水“中和”去除过量盐酸，使溶液接近中性。去除过量盐酸的目的是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②反萃取的目的是将有机层Ce3+转移到水层。使Ce3+尽可能多地发生上述转移，应选择的实验条件或采取的实验操作有_____________________________________________________________________________________________(填两项)。③与“反萃取”得到的水溶液比较，过滤Ce2CO33沉淀的滤液中，物质的量减小的离子有2．(2024·全国甲卷，T8)钴在新能源、新材料领域具有重要用途。某炼锌废渣含有锌、铅、铜、铁、钴、锰的＋2价氧化物及锌和铜的单质。从该废渣中提取钴的一种流程如下。注：加沉淀剂使一种金属离子浓度小于等于10-5mol·L-1，其他金属离子不沉淀，即认为完全分离。已知：①Ksp(CuS)＝6.3×10-36，Ksp(ZnS)＝2.5×10-22，Ks