高三化学一轮复习讲义 30　第一篇　第二部分　第四章　第21讲　无机化工流程的解题策略(能力课)

第21讲无机化工流程的解题策略(能力课)1．了解无机化工流程试题的模式和思维模型。2．掌握化工流程中原料预处理方法、物质的分离提纯方法和各步转化的反应原理及条件控制。建立思维模型1．明确试题模式图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。3．常见考查角度化工流程题的考点主要从以下6点设置基本操作除杂、分离、检验、洗涤、干燥等实验操作的步骤描述；加入某些试剂或某个操作步骤的目的描述物质的分离与提纯通过调节pH使溶液中的金属离子沉淀达到分离除杂的目的，据此选择需要加入的化学试剂；加入某种物质使难溶物转化为更难溶的物质后，通过过滤除去等化学反应速率与化学平衡理论的运用例如，研磨使反应物颗粒变小，增大反应物间的接触面积，从而增大反应速率，提高原料利用率；升高温度能增大反应速率，使吸热反应平衡正向移动等化学方程式或离子方程式的书写根据流程图及设问中的信息找出反应物和生成物，书写指定的化学方程式或离子方程式保护环境与绿色化学思想流程中物质的转化和循环、资源的回收和利用、“三废”的来源、对环境的影响及处理措施等化学计算结合原料纯度、转化率、损失率、产物产率等计算产品质量；结合溶液配制、滴定操作测定样品中某元素含量或产品纯度；结合溶度积常数，计算溶液中某离子浓度或完全沉淀时的pH等某工厂采用辉铋矿(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________(填字母)。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___________________________________________________________________________________________________________________。流程分析三方法首尾分析法线型工艺流程(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题，首先对比分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品)，找出原料与产品之间的关系，弄清原料转化为产品的基本原理和生产过程中除杂、分离、提纯产品工艺，然后再结合题设问题，逐一推敲解答三相分析法“一相”是分析转化中的气体反应与生成，“二相”是分析转化中固体或沉淀变化，“三相”是分析转化中溶液中的溶质交叉分析法有些化工生产选用多组原材料，先合成一种或几种中间产品，再用中间产品与部分其他原材料反应生产所需的主流产品，这就需将提供的工艺流程图结合常见化合物的制取原理划分成几条生产流水线，然后上下交叉分析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(碱)浸在酸(碱)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，如分离油和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粒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。物质开始沉淀时pH沉淀完全时pHFe(OH)31.62.8Fe(OH)26.58.3Mn(OH)28.110.1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为2.8≤pH<8.1。②调节pH所需的物质应能与H＋反应，使溶液pH增大，且不引入新杂质。例如：要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+，可加入CuO、CuOH2、CuCO3、(2023·新课标全国卷，T27)铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在，主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物。从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如图所示。已知：最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2O回答下列问题：(1)“煅烧”过程中，钒和铬被氧化为相应的最高价含氧酸盐，其中含铬化合物主要为________(填化学式)。(2)水浸渣中主要有SiO2和________。(3)“沉淀”步骤调pH到弱碱性，主要除去的杂质是________。(4)“除硅磷”步骤中，使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀。该步需要控制溶液的pH≈9以达到最好的除杂效果。若pH<9时，会导致________________________________________________________________________________________________________________________________________；pH>9时，会导致___________________________________________________________________________________________________________________________。(5)“分离钒”步骤中，将溶液pH调到1.8左右得到V2O5沉淀。V2O5在pH<1时，溶解为VO2+或VO3+；在碱性条件下，溶解为VO3-或VO43-。上述性质说明A．酸性B．碱性C．两性(6)“还原”步骤中加入焦亚硫酸钠(Na2S2O5)溶液，反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________。1．(2025·深圳模拟)V2O5广泛用于冶金、化工等行业，以钒矿石为原料制备V2O5的部分工艺流程如下：已知：ⅰ.“焙烧”后，固体中主要含有FeVO32、FeVO33、Mn(VO3ⅱ.“酸浸”后钒以VO2+形式存在，“还原”后钒以ⅲ.有机溶剂P204能充分萃取四价钒(VO2+)，也能萃取Fe3+而不萃取Fe2+；ⅳ.多钒酸铵微溶于冷水，易溶于热水；ⅴ.该工艺条件下，溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：金属离子Fe3+Fe2+Ca2+Mn2+开始沉淀pH1.66.511.98.1完全沉淀pH2.88.313.910.1回答下列问题：(1)“破碎”的目的是______________________________________________________________________________________________________________________。(2)“还原”时，VO____________________________________________________________________。(3)“氧化”时，每消耗21.3gNaClO3(还原产物为NaCl)，可得到VO2(4)洗涤多钒酸铵时要用冰水洗涤，目的是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)流程中可循环使用的物质有_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)“萃取”分离后，所得“水相”中含有丰富的金属资源，可按照如下步骤进行回收：ⅰ.加入适量NaF溶液“沉钙”；ⅱ.……；ⅲ.从所得滤液中回收MnSO4·5H2O①步骤ⅱ所需试剂有________(填字母)。A．H2O2溶液 B．MnOC．Fe粉 D．石灰乳②步骤ⅲ的实验操作为____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。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，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，产物对环境无污染。(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若题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要根据它们的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。(2024·河北卷，T16)V2O5是制造钒铁合金、金属钒的原料，也是重要的催化剂。以苛化泥为焙烧添加剂从石煤中提取V2O5的工艺，具有钒回收率高、副产物可回收和不产生气体污染物等优点。工艺流程如下。已知：ⅰ.石煤是一种含V2O3的矿物，杂质为大量Al2O3和少量CaO等；苛化泥的主要成分为CaCO3、NaOH、Na2CO3等。ⅱ.高温下，苛化泥的主要成分可与Al2O3反应生成偏铝酸盐；室温下，偏钒酸钙[Ca(VO3)2]和偏铝酸钙均难溶于水。回答下列问题：(1)钒原子的价层电子排布式为____________；焙烧生成的偏钒酸盐中钒的化合价为_____________________________________________________________，产生的气体①为________(填化学式)。(2)水浸工序得到滤渣①和滤液，滤渣①中含钒成分为偏钒酸钙，滤液中杂质的主要成分为______________(填化学式)。(3)在弱碱性环境下，偏钒酸钙经盐浸生成碳酸钙，发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________；CO2加压导入盐浸工序可提高浸出率的原因为________________________________________________________________________________________________________________________________________；浸取后低浓度的滤液①进入______________(填工序名称)，可实现钒元素的充分利用。(4)洗脱工序中洗脱液的主要成分为________(填化学式)。(5)下列不利于沉钒过程的两种操作为________(填序号)。a．延长沉钒时间b．将溶液调至碱性c．搅拌d．降低NH4Cl溶液的浓度2．(2024·甘肃卷，T16)某兴趣小组设计了利用MnO2和H2SO3生成MnS2O6，再与Na2CO3反应制备Na2S2O6·2H2O的方案：(1)采用如图所示装置制备SO2，仪器a的名称为________________；步骤Ⅰ中采用冰水浴是为了___________________________________________________________________________________________________________________________。(2)步骤Ⅱ应分数次加入MnO2，原因是___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)步骤Ⅲ中滴加饱和Ba(OH)2溶液的目的是________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)步骤Ⅳ中生成MnCO3沉淀，判断Mn2+已沉淀完全的操作是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)将步骤Ⅴ中正确操作或现象的字母填入相应括号中。A．蒸发皿中出现少量晶体B．使用漏斗趁热过滤C．利用蒸发皿余热使溶液蒸干D．用玻璃棒不断搅拌E．等待蒸发皿冷却1．(2024·贵州卷，T13)贵州重晶石矿(主要成分为BaSO4)储量占全国13以上。某研究小组对重晶石矿进行“富矿精开”研究，开发了制备高纯纳米钛酸钡(BaTiO3)下列说法正确的是()A．“气体”主要成分是H2S，“溶液1”的主要溶质是Na2SB．“系列操作”可为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥C．“合成反应”中生成BaTiO3的反应是氧化还原反应D．“洗涤”时可用稀硫酸去除残留的碱，以提高纯度(1)写出“酸化”过程的离子方程式：________________________________________________________________________________________________________。(2)Ti(OC4H9)4若水解时，生成的有机物可能是________________________。(3)用稀硫酸洗涤粗品中的碱，可能发生的副反应的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________。2．(2024·新课标全国卷，T8)钴及其化合物在制造合金、磁性材料、催化剂及陶瓷釉等方面有着广泛应用。一种从湿法炼锌产生的废渣(主要含Co、Zn、Pb、Fe的单质或氧化物)中富集回收得到含锰高钴成品的工艺如下：已知溶液中相关离子开始沉淀和沉淀完全(c≤1.0×10-5mol·L-1)时的pH：Fe3+Fe2+Co3+Co2+Zn2+开始沉淀时pH1.56.9－7.46.2沉淀完全时pH2.88.41.19.48.2回答下列问题：(1)“酸浸”前废渣需粉碎处理，目的是_______________________________________________________________________________________________________；“滤渣1”中金属元素主要为________。(2)“过滤1”后的溶液中加入MnO2的作用是________________________________________________________________________________________________。取少量反应后的溶液，加入化学试剂________检验________，若出现蓝色沉淀，需补加MnO2。(3)“氧化沉钴”中氧化还原反应的离子方程式为______________________________________________________________________________________________、____________________________________________________________________。(4)“除钴液”中主要的盐有______________(填化学式)，残留的Co3+浓度为________mol·L-1。3．(2024·黑吉辽卷，T16)中国是世界上最早利用细菌冶金的国