题型二 大题突破 无机综合——化工流程综合题的研究.docx

考向突破一　物质制备类工艺流程题 物质制备类工艺流程题的解题策略 ‎1．首尾分析法 破解无机物制备工艺流程原理与过程。对一些线性流程工艺(从原料到产品为“一条龙”的生产工序)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，弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和分离、提纯产品的化工工艺，然后结合题设的问题，逐一推敲解答。‎ ‎2．截段分析法[来源:学§科§网]‎ 对于用同样的原材料生产两种或多种产品(包括副产品)的工艺流程题，用截段分析法更容易找到解题的切入点。关键在于看清主、副产品是如何分开的，以此确定截几段更合适，一般截段以产品为基准点。‎ ‎3．掌握“5种”原料预处理(研磨、水浸、酸浸、灼烧、煅烧)的作用和“5种”控制反应条件(调溶液pH、控制温度、使用催化剂、趁热过滤、冰水洗涤)的目的。‎ ‎1．TiO2和CaTiO3都是光电转化材料。某研究小组利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量SiO2等杂质)来制备TiO2和CaTiO3，并利用黄钾铁矾[KFe3(SO4)2(OH)6]回收铁的工艺流程如图1所示：‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)“氧化酸解”的实验中，控制反应温度为150 ℃，不同氧化剂对钛铁矿酸解率的影响如图2所示。50 min时，要求酸解率大于85%，所选氧化剂应为___________________________；采用H2O2作氧化剂时，其效率低的原因可能是__________________________________。‎ ‎(2)向“氧化酸解”的滤液①中加入尿素[CO(NH2)2]，TiO2＋转化为TiO2，写出相应反应的离子方程式：___________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________，‎ 使用尿素而不直接通入NH3的原因是________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)写出“高温煅烧”中由TiO2制备CaTiO3的化学方程式：_______________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)Fe3＋恰好沉淀完全时，溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5 mol·L－1，计算此时溶液的pH＝________________________________________________________________________。‎ ‎[Fe(OH)3的Ksp＝1.0×10－39、水的Kw＝1.0×10－14]‎ ‎(5)黄钾铁矾沉淀为晶体，含水量很少。回收Fe3＋时，不采用加入氨水调节pH的方法制取Fe(OH)3的原因是_________________________________________________________。‎ 答案　(1)KClO3　在温度较高时H2O2易分解[或产物中的Fe3＋可以催化H2O2的分解(其他合理答案也可，如H2O2氧化能力弱)]‎ ‎(2)TiO2＋＋CO(NH2)2＋2H2OTiO2＋CO2↑＋2NH　避免将溶液中Fe3＋沉淀 ‎(3)TiO2＋CaCl2·2H2OCaTiO3＋2HCl↑＋H2O↑‎ ‎(4)2.7‎ ‎(5)Fe(OH)3为絮状沉淀，不容易分离 解析　(1)根据题目要求结合图像，在50 min时酸解率大于85%的氧化剂有KMnO4和KClO3，但KMnO4作氧化剂引入了Mn2＋，对后续的物质分离会造成干扰，故选用KClO3作氧化剂。(2)由TiO2＋转化为TiO2可知，Ti元素的化合价并没有发生改变，该反应为非氧化还原反应，在酸性环境中，C、N元素的产物为CO2、NH；由于Fe3＋开始沉淀需要的pH很小，直接通入NH3会使溶液pH快速增大，容易使Fe3＋沉淀，所以使用尿素而不直接通入NH3，可以避免溶液中Fe3＋沉淀。(3)由信息可知制备CaTiO3的反应为非氧化还原反应，根据元素守恒，剩余产物为HCl、H2O。(4)根据Fe(OH)3的Ksp＝1.0×10－39和溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5 mol·L－1可知，溶液中OH－的浓度为 mol·L－1≈1.0×10－11.3 mol·L－1，c(H＋)＝＝＝10－2.7 mol·L－1，所以pH为2.7。(5)氢氧化铁为絮状沉淀，不易于从溶液中分离，所以不采用加入氨水调节pH的方法制取Fe(OH)3。‎ ‎2．铬及其化合物有许多独特的性质和用途。如炼钢时加入一定量的铬可得到不锈钢，K2Cr2O7是实验中常用的强氧化剂之一。‎ ‎(1)铬可形成CrCl3、NaCrO2等盐类物质，则NaCrO2中铬元素的化合价为________________，由此知Cr2O3是__________(填“酸性”“碱性”或“两性”)化合物。‎ ‎(2)某化工厂利用湿法从主要含有锌、铜、铁、铬、镉(Cd)、钴(Co)等单质的铜铬渣中回收铬的流程如下：[来源:Zxxk.Com]‎ 几种金属离子生成氢氧化物沉淀的pH如下表所示：‎ 氢氧化物 Fe(OH)3‎ Zn(OH)2‎ Cd(OH)2‎ Cr(OH)3‎ 开始沉淀的pH ‎1.5‎ ‎8‎ ‎7.2‎ ‎6‎ 沉淀完全的pH ‎3.3‎ ‎12‎ ‎9.5‎ ‎8‎ ‎①料渣Ⅰ中只含有一种金属单质，该单质是________________________________________，氧化过程中由铁、铬形成的离子均被氧化，则pH的调控范围是____________。‎ ‎②酸浸时形成的金属离子的价态均相同，料渣Ⅱ中含有大量的CoAs合金，请写出除钴时反应的离子方程式：______________________________________________________________，氧化过程中氧化产物与还原产物物质的量之比为__________________。‎ ‎(3)砷酸可用于制造有机颜料、杀虫剂等，将料渣Ⅱ用NaOH处理后可得到亚砷酸钠(Na3AsO3)，再利用如下图所示的三室电解池进行电解可得到砷酸(H3AsO4)及NaOH。‎ 则a极应接电源的______极，b电极上电极反应式为_______________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)＋3　两性 ‎(2)①铜　3.3≤pH＜6　②2Co2＋＋7Zn＋10H＋＋As2O5===7Zn2＋＋2CoAs＋5H2O　1∶1‎ ‎(3)负　AsO－2e－＋H2O===AsO＋2H＋‎ 解析　(1)由化合价规则知NaCrO2中铬元素价态为＋3，由铬形成CrCl3、NaCrO2两类盐及铝元素的性质类推，Cr2O3是两性化合物。(2)①铜不能与稀硫酸反应，故料渣Ⅰ是金属单质铜，调pH时得到Fe(OH)3沉淀，故溶液的pH应不小于3.3，但要小于6。②锌将Co2＋、As2O5还原为相应的单质，然后两种单质形成合金。氧化过程中是Fe2＋被H2O2氧化为Fe3＋、H2O2被还原为H2O，氧化产物与还原产物物质的量之比为1∶1。(3)电解时阳离子移向阴极，故a电极是阴极，与电源负极相连，b电极是阳极，AsO通过阴离子交换膜进入阳极区，AsO在阳极上失去电子转化为AsO：AsO－2e－＋H2O===AsO＋2H＋。‎ ‎3．钼酸钠(Na2MoO4)是一种冷却水系统的金属缓蚀剂，工业上利用钼精矿(主要成分为MoS2)制备金属钼和钼酸钠晶体的流程如图1所示。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)如果在空气中焙烧1 mol MoS2时，S元素转移12 mol电子，则MoS2中钼元素的化合价为________；焙烧的另一种产物是________，产生的尾气对环境的主要危害是____________________。‎ ‎(2)若在实验中进行操作2，则从钼酸钠溶液中得到钼酸钠晶体的操作步骤是______________、过滤、洗涤、干燥。‎ ‎(3)钼精矿中MoS2含量测定：取钼精矿25 g，经在空气中焙烧、操作1、操作2得到钼酸钠晶体24.2 g，钼精矿中MoS2的质量分数为________________。(已知MoS2的相对分子质量为160，Na2MoO4·2H2O的相对分子质量为242)‎ ‎(4)操作3发生反应的离子方程式为__________________________________________‎ ‎__________________。‎ ‎(5)用镍、钼作电极电解浓NaOH溶液制备钼酸钠(Na2MoO4)的装置如图2所示。b电极的材料为________________________________________________________________________‎ ‎(填“镍”或“钼”)，电极反应为___________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)＋4　SO2　形成酸雨 ‎(2)蒸发浓缩、冷却结晶 ‎(3)64%‎ ‎(4)MoS2＋6OH－＋9ClO－===MoO＋2SO＋9Cl－＋3H2O ‎(5)钼　Mo－6e－＋8OH－===MoO＋4H2O 解析　(1)根据电子转移数目及化合物中各元素化合价代数和为0，容易计算得出MoS2中Mo元素的化合价为＋4；焙烧的另外一种产物是SO2，SO2能导致酸雨等。(2)从钼酸钠溶液中得到钼酸钠晶体的操作步骤是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。(3)24.2 g钼酸钠晶体的物质的量是0.1 mol，由钼原子守恒得MoS2的物质的量为0.1‎ ‎ mol，然后再根据质量分数的定义进行计算即可。(4)操作3是将钼精矿与氢氧化钠溶液、次氯酸钠溶液混合，发生反应的离子方程式是MoS2＋6OH－＋9ClO－===MoO＋2SO＋3H2O＋9Cl－。(5)用Ni、Mo作电极电解浓NaOH溶液制备钼酸钠(Na2MoO4)，根据钼的化合价变化，可知Mo电极上发生的是氧化反应，而阳极发生氧化反应，因此阳极的电极材料是钼，电解质溶液呈碱性，因此可以写出阳极的电极反应式是Mo－6e－＋8OH－===MoO＋4H2O。‎ 考向突破二　物质提纯类工艺流程题 物质提纯类工艺流程题的解题策略 ‎1．阅读流程图，明确原料中含有的杂质和目标物质以及提纯的流程。‎ ‎2．明确提纯的方法及各种方法使用范围 Ⅰ.水溶法：除去可溶性杂质。‎ Ⅱ.酸溶法：除去碱性杂质。‎ Ⅲ.碱溶法：除去酸性杂质。‎ Ⅳ.氧化剂或还原剂法：除去还原性或氧化性杂质。‎ Ⅴ.加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。‎ Ⅵ.调节溶液的pH法：如除去酸性溶液中的Fe3＋等。‎ ‎3．明确常用的分离方法同时还要注意物质分离、提纯的原则及注意事项等。‎ ‎[来源:Z.xx.k.Com]‎ ‎1．纳米铜是一种性能优异的超导材料，以辉铜矿(主要成分为Cu2S)为原料制备纳米铜粉的工艺流程如图1所示。‎ ‎(1)用黄铜矿(主要成分为CuFeS2)、废铜渣和稀硫酸共同作用可获得较纯净的Cu2S，其原理如图2所示，该反应的离子方程式为_________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)从辉铜矿中浸取铜元素时，可用FeCl3溶液作浸取剂。‎ ‎①反应：Cu2S＋4FeCl3===2CuCl2＋4FeCl2＋S，每生成1 mol CuCl2，反应中转移电子的物质的量为________；浸取时，在有氧环境下可维持Fe3＋较高浓度，有关反应的离子方程式为 ‎________________________________________________________________________。‎ ‎②浸取过程中加入洗涤剂溶解硫时，铜元素浸取率的变化如图3所示，未洗硫时铜元素浸取率较低，其原因是________________________________________________________。‎ ‎(3)“萃取”时，两种金属离子萃取率与pH的关系如图4所示，当pH＞1.7时，pH越大，金属离子萃取率越低，其中Fe3＋萃取率降低的原因是____________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)用“反萃取”得到的CuSO4溶液制备纳米铜粉时，该反应中还原产物与氧化产物的质量之比为________________________________________________________________________。‎ ‎(5)在萃取后的“水相”中加入适量氨水，静置，再经过滤、________、干燥、________等操作可得到Fe2O3产品。‎ 答案　(1)CuFeS2＋Cu＋2H＋===Cu2S＋Fe2＋＋H2S↑‎ ‎(2)①2 mol　4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O ‎②生成的硫覆盖在Cu2S表面，阻碍浸取 ‎(3)Fe3＋水解程度随pH的升高而增大 ‎(4)32∶7‎ ‎(5)洗涤　煅烧(或灼烧)‎ 解析　(4)在碱性条件下，Cu2＋与N2H4反应生成氮气和铜，离子方程式为2Cu2＋＋N2H4＋4OH－===2Cu＋N2↑＋4H2O，反应中还原产物为Cu，氧化产物为N2，质量之比为(2×64)∶28＝32∶7。‎ ‎2．NH4Al(SO4)2·12H2O(铵明矾)可用作泡沫灭火器的内留剂、石油脱色剂等。用氧化铁、铝粉和氯酸钾等物质作铝热反应后的铝灰及硫酸铵等为原料制备铵明矾的实验步骤如下：‎ ‎(1)铝灰用“水洗”的目的是____________________________________________；‎ 碱溶需在约90 ℃条件下进行，适宜的加热方式为_____________________________。‎ ‎(2)“过滤1”所得滤渣主要成分为__________________。‎ ‎(3)用下图装置制备CO2时，适宜的药品A为________、B为________；“沉铝”时，通入过量CO2发生反应的离子方程式为______________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)请设计从“过滤2”所得滤渣制取铵明矾的实验方案：称取一定质量“过滤2”的滤渣，放入烧杯中，______________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________，‎ 静置，过滤、洗涤、晾干，得到铵明矾。[实验中须使用到3 mol·L－1硫酸、(NH4)2SO4‎ ‎、蒸馏水、氨水、pH试纸；已知：NH4Al(SO4)2饱和溶液的pH约为1.5，几种物质的溶解度曲线见下图]。‎ 答案　(1)除去KCl等可溶性杂质　水浴加热 ‎(2)Fe等不溶性杂质 ‎(3)块状石灰石(或大理石、CaCO3等)　饱和NaHCO3溶液　AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO ‎(4)加入适量蒸馏水，加热并在不断搅拌下加入3 mol·L－1硫酸至沉淀恰好完全溶解，再加入计算量的(NH4)2SO4，用3 mol·L－1硫酸和氨水调节溶液的pH为1～2，蒸发浓缩，冷却结晶 解析　铝灰水洗的目的是洗去表面可溶性杂质，在90 ℃水浴条件下，用NaOH溶液进行溶解，Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O，过滤除去铁等不溶性杂质，向滤液中通入过量CO2，AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO，提纯得到较纯的Al(OH)3再制备NH4Al(SO4)2。(1)铝灰用“水洗”的目的是除去KCl等可溶性杂质，碱溶时，需在约90 ℃条件下进行，适宜的加热方式为90 ℃水浴加热。(2)“过滤1”所得滤渣主要成分为铁等不溶性杂质。(3)制备CO2时，适宜的药品A为块状石灰石(或大理石、CaCO3等)、B为饱和NaHCO3溶液；“沉铝”时，通入过量CO2发生反应的离子方程式为AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO。(4)称取一定质量“过滤2”的滤渣放入烧杯中，主要成分为Al(OH)3，加入适量蒸馏水，加热并在不断搅拌下加入3 mol·L－1硫酸至沉淀恰好完全溶解，再加入计算量的(NH4)2SO4，用3 mol·L－1硫酸和氨水调节溶液的pH为1～2，蒸发浓缩，冷却结晶，静置，过滤、洗涤、晾干，得到NH4Al(SO4)2·12H2O。‎ ‎3．(2018·东北三省三校联考)某化学实验室以一种工业上的废渣(废渣主要含有MgCO3、MgSiO3和少量Fe、Al的氧化物)为原料，制备MgCO3·3H2O。实验流程如下图所示：‎ ‎(1)为了加快废渣的酸溶速率，可采取的办法有____________________(任写一点)，酸溶时废渣中主要成分发生反应的离子方程式为___________________________________。‎ ‎(2)加入30%H2O2的目的是______________________________________________。‎ ‎(3)用萃取分液的方法除去溶液中的Fe3＋。‎ ‎①加入30%H2O2后，检验溶液中是否含有Fe2＋的最佳试剂是_____________________。‎ ‎②萃取分液完成后，检验水相中是否含有Fe3＋的最佳试剂是_______________________。‎ ‎(4)室温下，除去MgSO4溶液中的Al3＋(使Al3＋浓度小于1×10－6 mol·L－1)而不引入其他杂质，应加入的试剂X为____________，应调节pH的范围为________________________。‎ ‎(已知：①Ksp[Al(OH)3]＝1.0×10－33；②pH＝8.5时，Mg(OH)2开始沉淀)‎ ‎(5)向滤液中加入Na2CO3溶液生成MgCO3沉淀并用蒸馏水洗涤，确认沉淀洗净的操作及现象是_______________________________________________________________________。‎ 答案　(1)升高温度、搅拌、适当提高硫酸浓度等(合理即可)‎ MgCO3＋2H＋===Mg2＋＋H2O＋CO2↑、MgSiO3＋2H＋===Mg2＋＋H2SiO3↓‎ ‎(2)将Fe2＋氧化为Fe3＋，便于除铁 ‎(3)①K3[Fe(CN)6]溶液　②KSCN溶液 ‎(4)MgO、Mg(OH)2、MgCO3或Mg2(OH)2·CO3(写出一个即可)　5.0＜pH＜8.5‎ ‎(5)取少量最后一次的洗涤过滤液于试管中，向其中滴加盐酸酸化的氯化钡溶液，若不产生白色沉淀，则表明已洗涤干净 解析　‎ ‎(1)为了加快废渣的酸溶速率，可采取的办法有升高温度、搅拌、适当提高硫酸浓度等，酸溶时废渣中主要是碳酸镁和硅酸镁与硫酸的反应，写离子方程式时碳酸镁和硅酸镁都要保留化学式。(2)由流程信息可知下一步是“萃取分液”除去溶液中的Fe3＋，而溶液中可能含有亚铁离子，因而用双氧水将亚铁离子氧化为铁离子，便于除去。(3)①检验溶液中是否含有Fe2＋的最佳试剂是K3[Fe(CN)6]溶液。②萃取分液完成后，检验水相中是否含有Fe3＋的最佳试剂是KSCN溶液。(4)MgO、Mg(OH)2、MgCO3或Mg2(OH)2·CO3均能消耗溶液中的氢离子且不引入新的杂质。根据氢氧化铝的溶度积常数可知当铝离子浓度小于1×10－6 mol·L－1时，可计算氢氧根的浓度：c(OH－)＞＝＝1.0×10－9 mol·L－1，即pH应大于5.0，又因为pH＝8.5时，Mg(OH)2开始沉淀，所以应调节pH的范围为5.0＜pH