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——工艺流程题的解题策略
【核心透析】
一、题型特点
无机化工流程题是近年来高考中备受关注的一种题型,该类题源
于生产实际,以解决化学实际问题为目的,将化工生产过程中的主要
生产流程用框图形式展示出来,并根据其中涉及的化学知识步步设问,
使问题情境真实,构成与化工生产紧密联系的化学工艺流程题。试题
新颖,内容丰富,阅读量大,其结构分题头、流程图和问题三部分。
题头一般简单介绍该工艺生产的原料和生产目的,流程图部分主要用
框图形式将原料到产品的主要生产工艺展示出来,问题部分主要根据
生产过程中涉及的化学知识设计一系列的问题。
二、解题思路2
三、解答工艺流程题的两方法
1.首尾分析法:对线型流程工艺(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的第一种物质(原材料)与最后一
种物质(产品),从此分析中找出它们的关系,弄清原料转化的基本原
理和除杂、分离、提纯的化工工艺,再结合题设问题,逐一解答。
2.分段分析法:对于用同样的原料生产多种(两种或两种以上)
产品(含副产品)的工艺流程题,用此法更容易找到解题的切入点。
题型一 以制备某一物质为目的的工艺流程题
【解题策略】
制备类工艺流程题在流程上一般分为 3 个过程:
原料处理―→分离提纯―→获得产品
1.原料处理阶段的常见考点
(1)加快反应速率。
(2)溶解:通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等。3
水浸:与水接触反应或溶解。
浸出:固体加水(酸)溶解得到离子。
浸出率:固体溶解后,离子在溶液中含量的多少(更多转化)。
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
过滤除去的溶解过程。
(3)灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些物质能溶解,并使一
些杂质高温下氧化、分解。
2.分离提纯阶段的常见考点
(1)调 pH 除杂
①控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+、Mn2+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调节 pH 所需的物质一般应满足两点:能与 H+反应,使溶液 pH
增大;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 等物质来调节溶液的 pH。
(2)加热:加快反应速率或促进平衡向某个方向移动。
如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物,则要注意
对温度的控制。如:侯氏制碱法中的 NaHCO3;还有 H2O2、Ca(HCO3)2、
KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质。
(3)降温:防止某物质在高温时会溶解(或分解);为使化学平衡
向着题目要求的方向移动。
3.获得产品阶段的常见考点
(1)洗涤(冰水、热水)洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体在
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,又可减
少晶体溶解的损耗。4
(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,母液中是
NaCl 和少量 K2Cr2O7,这样就可分离出大部分 K2Cr2O7;同样原理可除
去 KNO3 溶液中的少量 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,母液中是 K2Cr2O7 和
少量 NaCl;同样原理可除去 NaCl 溶液中的少量 KNO3。
题型二 以混合物的分离、提纯为目的的工艺流程题
【解题策略】
这类题其实就是混合物的除杂、分离、提纯。当遇到这一类题时,
一定要在题目中找出要得到的主要物质是什么,混有的杂质有哪些,
主要物质和杂质的性质差别是什么?认真分析当加入某一试剂后,能
与什么物质发生反应,生成了什么产物,要用什么样的方法才能将杂
质除去,要相信题中的每一种试剂、每一步操作都是为了得到更多和
更纯的产品,经过这样的思考后将工艺流程转化为物质转化流程,更
能明白每一步所加试剂或操作的目的。
1.物质分离提纯的原则
(1)不增:不引入新的杂质。
(2)不减:不减少被提纯的物质。
(3)易分离:被提纯物与杂质易于分离。
(4)易复原:被提纯的物质易恢复原来的组成、状态。
2.明确常用的提纯方法
(1)水溶法:除去可溶性杂质。5
(2)酸溶法:除去碱性杂质。
(3)碱溶法:除去酸性杂质。
(4)氧化剂或还原剂法:除去还原性或氧化性杂质。
(5)加热灼烧法:除去受热易分解或易挥发的杂质。
(6)调节溶液的 pH 法:如除去酸性 Cu2+溶液中的 Fe3+等。
3.明确常用的分离方法
(1)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。
(2)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
取分离物质,并将提取后互不相溶的两种液体分开,如用 CCl4 或苯
萃取溴水中的溴,并分离有机层和无机层。
(3)蒸发结晶:提取溶解度随温度变化不大的溶质,如 NaCl。
(4)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。
(5)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。
(6)冷却法:利用气体液化的特点分离气体,如合成氨工业采用
冷却法分离平衡混合气体中的氨气。
【核心训练】6
1.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 + NaNO3 ― ― →
高温
Na2CrO4 + Fe2O3 + CO2 +
NaNO2
上述反应配平后 FeO·Cr2O3 与 NaNO3 的系数比为________。该步
骤不能使用陶瓷容器,原因是_________________________。
(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”),
原因是________________________________(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。7
a.80 ℃ B.60 ℃
c.40 ℃ D.10 ℃
步骤⑤的反应类型是____________。
(5)某工厂用 m1 kg 铬铁矿粉(含 Cr2O3 40%)制备 K2Cr2O7,最终得
到产品 m2 kg,产率为________。
解析:本题以 K2Cr2O7 的制备为载体,考查氧化还原反应原理、
平衡移动原理等。由题中所给反应可知滤渣 1 为 Fe2O3,滤液 1 中含
有 Al3+、SiO2-3 ,调节 pH=7,则滤渣 2 中含 Al(OH)3 及含硅杂质,
滤液 2 中含有 CrO2-4 、Na+,此时调节 pH 促使平衡 2CrO2-4 +2H+
Cr2O2-7 +H2O 正向移动,再加入 KCl 得到 K2Cr2O7。(1)利用得失电子
守恒方法配平:2FeO·Cr 2O3 +4Na 2CO3 +7NaNO 3 =====
高温
4Na2CrO4 +
Fe2O3+4CO2↑+7NaNO2,则 FeO·Cr2O3 与 NaNO3 的系数比为 2∶7。陶
瓷中含有 SiO2,在高温下能与 Na2CO3 反应,会损坏仪器。(2)由步骤①
可知熔块中含有 NaNO2、Na2CrO4、Fe2O3 等,故滤渣 1 中含量最多的
金属元素为 Fe,而步骤③需除去 Al3+及含硅物质,故滤渣 2 中应主
要含 Al(OH)3 及含硅杂质。(3)步骤④调 pH 的目的是促进 CrO2-4 转化
为 Cr2O2-7 ,根据 2CrO2-4 +2H+ Cr2O2-7 +H2O,可知应增大 c(H8
+),故 pH 要变小。(4)根据溶解度曲线图可知,选择 K2Cr2O7 溶解度
小于溶液中其他溶质溶解度且溶解度最小的温度区,故选 d。反应为
2K++Cr2O2-7 ===K2Cr2O7↓,此反应为复分解反应。(5)根据 Cr 原子守
恒建立关系式:
Cr2O3 ~ K2Cr2O7
152 294
m1·40% kg m(K2Cr2O7)
m(K2Cr2O7)=294·m1·40%
152 kg
故产率为 m2 kg
294·m1·40%
152 kg
×100%=190m2
147m1×100%。
答案:(1)2∶7 陶瓷在高温下会与 Na2CO3 反应
(2)Fe Al(OH)3 (3)小 2CrO2-4 +2H+Cr2O2-7 +H2O
(4)d 复分解反应 (5)190m2
147m1×100%
2.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9
CuFeS2+Cu+2H+===Cu2S+Fe2++H2S↑。
(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 2_mol;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 4Fe2++O2+4H+===4Fe3++
2H2O。
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,其原因是生成的硫覆盖在 Cu2S
表面,阻碍浸取。10
(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 Fe3+水解程度随 pH 的升高而增大。
(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 32∶7。
(5)在萃取后的“水相”中加入适量氨水,静置,再经过滤、洗
涤、干燥、煅烧(或灼烧)等操作可得到 Fe2O3 产品。
解析:(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,根据图示,同时生成了 Fe2+和 H2S,反应
的离子方程式为 CuFeS2+Cu+2H+===Cu2S+Fe2++H2S↑。(2)①根据
反应 Cu2S+4FeCl3===2CuCl2+4FeCl2+S,反应中硫元素由-2 价升
高为 0 价,铜元素由+1 价升高为+2 价,铁元素由+3 价降低为+2
价,反应中转移 4 个电子,则每生成 1 mol CuCl2,反应中转移电子
2 mol。浸取时,在有氧环境下可维持 Fe3+较高浓度,是因为氧气能
够氧化 Fe2+,反应的离子方程式为 4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O。11
②浸取过程中加入洗涤剂溶解硫时,如果未洗硫,生成的硫覆盖在
Cu2S 表面,阻碍浸取,会使铜元素浸取率较低。(3)Fe3+的水解程度
随着 pH 的升高而增大,导致溶液中 Fe3+浓度降低,萃取率降低。(4)
在碱性条件下,Cu2+与 N2H4 反应生成氮气和铜,反应的离子方程式为
2Cu2++N2H4+4OH-===2Cu+N2↑+4H2O,反应中铜元素化合价降低被
还原,铜为还原产物,氮元素化合价升高被氧化,氮气为氧化产物,
还原产物与氧化产物的质量之比为2 × 64
28 =32
7 。(5)萃取后的“水相”
中含有 Fe3+ ,加入氨水,反应生成氢氧化铁沉淀,煅烧可得到
Fe2O3,方法为在萃取后的“水相”中加入适量氨水,静置,过滤,
洗涤,干燥,煅烧可得到 Fe2O3 产品。
3.用钒钛磁铁矿为原料冶炼铁,产生一种固体废料,主要成分如
表:
物质 TiO2 MgO SiO2 CaO Al2O3
质量百分含
量/%
51.0
0
12.5
2
5.39 4.00
19.3
4
通过下列工艺流程可以实现元素 Ti、Al、Si 的回收利用,并得
到纳米二氧化钛和分子筛。
请回答下列问题:
(1)步骤①②③中进行分离操作的名称是____________。12
(2) 下 列 固 体 废 料 的 成 分 中 , 不 属 于 碱 性 氧 化 物 的 是
_____________________________________
(填字母序号)。
a.TiO2 b.MgO
c.SiO2 d.CaO
(3)熔融温度和钛的提取率关系如图,适宜温度为 500 ℃,理由
是__________________________。
(4) 滤 液 ① 中 溶 质 的 成 分 是
_____________________________________。
(5) 步 骤 ② 中 发 生 反 应 的 离 子 方 程 式 是
__________________________。
(6)将步骤③中制取分子筛的化学方程式补充完整:
________________ + 6Na2SiO3 +
8H2O===Na8Al6Si6O24(OH)2·2H2O+ ________________
根据成分表中数据,计算处理 10 kg 固体废料,理论上应再加入
Na2SiO3 物 质 的 量 的 计 算 式 是 n(Na2SiO3) = __________________
mol(摩尔质量/ g·mol-1:SiO2 60 Al2O3 102)。
解析 (1)步骤①②③操作过后都得到滤渣和滤液,所以都是过
滤操作。(2)碱性氧化物是指能与酸反应生成盐和水的氧化物,TiO2
和 SiO2 一般不与酸反应,所以选择 a 和 c。(3)从图像可以看出 400 ℃ 13
钛的提取率太低,600 ℃钛的提取率提高较少,从节约能源,降低生
产成本的角度考虑,500 ℃最适宜。(4)SiO2 和 Al2O3 与过量 NaOH
反应的产物分别为 Na2SiO3 和 NaAlO2 。(5)步骤②是加入稀盐酸使
Na2TiO3 转化为 H2TiO3,Na2TiO3 为难溶物,故反应的离子方程式为
Na2TiO3+2H+===H2TiO3+2Na+。(6)根据元素守恒配平即可。根据制
取分子筛的化学方程式知 Na2SiO3 和 NaAlO2 的化学计量数比应为 1∶
1 , 结 合 图 表 的 数 据 : 由 原 料 制 得 NaAlO2 的 物 质 的 量 为
2 × 10 000 × 19.34%
102 , 制 得 Na2SiO3 的 物 质 的 量 为
10 000 × 5.39%
60 ,故需要加入的 Na2SiO3 的物质的量为两者的差值
即 100×(2 × 19.34
102 -5.39
60 )。
答案 (1)过滤 (2)ac (3)400 ℃钛的提取率太低,600 ℃钛的
提取率提高不多,从节约能源,降低生产成本的角度考虑,500 ℃最
适宜 (4)NaAlO2、Na2SiO3、NaOH (5)Na2TiO3+2H+===H2TiO3+2Na+
(6)6NaAlO2 10NaOH 100×(2 × 19.34
102 -5.39
60 )
4.某铜矿石的主要成分是 Cu2O,还含有少量的 Al2O3、Fe2O3 和
SiO2。某工厂利用此矿石炼制精铜的工艺流程如图所示(已知:Cu2O+
2H+===Cu+Cu2++H2O)。14
(1)滤液 A 中铁元素的存在形式为________(填离子符号),生成
该离子的离子方程式为________________________,检验滤液 A 中
存在该离子的试剂为________(填试剂名称)。
(2)金属单质 E 与固体混合物 F 发生的某一反应可用于焊接钢轨,
该反应的化学方程式为______________________,
在实验室中完成此实验还需要的试剂是________(填序号)。
a.KClO3 b.KCl
c.Mg D.MnO2
(3)为使固体混合物 D 在空气中灼烧完全分解,应________,直
至连续两次测定的实验结果相同(或质量相差小于 0.1 g)时为止;灼
烧时必须用到的实验仪器是________。
(4)溶液 G 与固体混合物 B 反应的离子方程式为
____________________。
(5)将 Na2CO3 溶液滴入到一定量的 CuCl2 溶液中,得到氯化钠、
二氧化碳和一种绿色的不溶于水的盐(不含结晶水),该盐受热分解产
生三种氧化物,则该盐的化学式是________。
解析:(1)根据 Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O、Cu2O+2H+===Cu+Cu2
++H2O、2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,且铜矿石的主要成分为 Cu2O,
而 Fe2O3 是少量的,可知滤液 A 中铁元素的存在形式为 Fe2+。检验 Fe215
+可以用铁氰化钾溶液(生成蓝色沉淀),或用氯水和 KSCN 溶液、双
氧水和 KSCN 溶液(最终溶液为血红色)。(2)E 为 Al,F 中含有 Fe2O3,Al
与 Fe2O3 可以发生铝热反应:2Al+Fe2O3 =====
高温
Al2O3+2Fe,该反应
可用于焊接钢轨。实验室进行铝热反应,还需要 Mg 和 KClO3。(3)灼
烧固体混合物 D 需要的仪器为坩埚,为使其完全分解,应灼烧、冷却
至室温后称重,重复多次。(4)固体混合物 B 的主要成分为 SiO2 和
Cu,溶解 SiO2 可用 NaOH 溶液。(5)结合题中信息知绿色不溶于水的
盐为 Cu2(OH)2CO3[或 Cu(OH)2·CuCO3]。
答案:(1)Fe2+ 2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+ 铁氰化钾溶液(或
氯水和 KSCN 溶液或双氧水和 KSCN 溶液等,合理即可)
(2)2Al+Fe2O3 =====
高温
Al2O3+2Fe ac
(3)灼烧,冷却至室温后称重,重复多次 坩埚
(4)SiO2+2OH-===SiO2-3 +H2O
(5)Cu2(OH)2CO3[或 Cu(OH)2·CuCO3]
5.CoCl2·6H2O 是一种饲料营养强化剂。一种利用水钴矿[主要
成 分 为 Co2O3 、 Co(OH)3 , 还 含 少 量 Fe2O3 、 Al2O3 、 MnO 等 ] 制 取
CoCl2·6H2O 的工艺流程如下:
已知:①浸出液含有的阳离子主要有 H+、Co2+、Ca2+、Mg2+、Fe2
+、Mn2+、Al3+等;16
②部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的 pH 如表:
沉淀物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Co(OH)2 Al(OH)3 Mn(OH)2
开始沉
淀
2.7 7.6 7.6 4.0 7.7
完全沉
淀
3.7 9.6 9.2 5.2 9.8
③CoCl2·6H2O 熔点 86℃,易溶于水、乙醚等;常温下稳定无毒,
加热至 110~120 ℃ 时,失去结晶水变成的有毒的无水氯化钴。
(1) 写 出 浸 出 过 程 中 Co2O3 发 生 反 应 的 离 子 方 程 式 :
__________________________。
(2)NaClO3 的作用是______________________,写出该反应的离
子方程式:_____________________________________;
若不慎向“浸出液”中加过量 NaClO3 时,可能会生成的有毒气
体是________________(填化学式)。
(3) 加 Na2CO3 调 pH 至 5.2 所 得 沉 淀 为
_____________________________________
(填化学式)。
(4)萃取剂对金属离子的萃取率与 pH 的关系如图。加萃取剂的目
的是____________________;其使用的最佳 pH 范围是________(填
字母序号)。
A.2.0~2.5 B.3.0~3.5
C.4.0~4.5 D.5.0~5.517
(5)操作 1 包含 3 个基本实验操作是蒸发、结晶和过滤。制得的
CoCl2·6H2O 需减压烘干的原因是__________________________。
(6)除“钙”“镁”是将滤液 i 中 Ca2+与 Mg2+转化为 MgF2、CaF2
沉淀。已知某温度下,Ksp(MgF2)=7.35×10-11,Ksp(CaF2)=1.50×10
- 10 。 当 加 入 过 量 NaF 时 , 所 得 滤 液 中 c(Mg2 + ) ∶ c(Ca2 + ) =
____________。
解析 含钴废料中加入盐酸、Na2SO3 后的浸出液中含有的阳离子
主要有 H+、Co2+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+、Al3+等,加入 NaClO3,
可以将 Fe2+ 氧化成 Fe3+ ,然后加入 Na2CO3 调 pH 至 5.2,可得到
Fe(OH)3、Al(OH)3 沉淀,过滤后所得滤液中加入 NaF 除去 Ca2+、Mg2
+ , 再 用 萃 取 剂 萃 取 , 得 到 的 溶 液 中 主 要 含 有 CoCl2 , 为 得 到
CoCl2·6H2O 晶体,应控制温度在 86℃以下,加热时要防止温度过高
而失去结晶水,可减压烘干。(1)酸性条件下,Co2O3 和 SO 2-3 发生氧
化还原反应生成 Co2+、SO2-4 ,反应的离子方程式为 Co2O3+SO2-3 +4H
+===2Co2++SO2-4 +2H2O。(2)酸性条件下,加入 NaClO3 将 Fe2+氧化
为 Fe3+,便于调节 pH,将 Fe3+转化为氢氧化铁沉淀而除去,反应的
离子方程式为 ClO-3 +6Fe2++6H+===Cl-+6Fe3++3H2O,若不慎向
“浸出液”中加过量 NaClO3 时,氯酸钠能够氧化氯离子生成氯气。(3)
“加 Na2CO3 调 pH 至 5.2”,目的是将铁离子、铝离子转化为 Fe(OH)3、
Al(OH)3 沉淀,过滤除去。(4)根据流程图可知,此时溶液中存在 Mn2
+、Co2+,由萃取剂对金属离子的萃取率与 pH 的关系可知,调节溶
液 pH 在 3.0~3.5 之间,可使 Mn2+被萃取,并防止 Co2+被萃取。(5)18
制得的 CoCl2·6H2O 需减压烘干,目的是降低烘干温度,防止产品失
去结晶水。(6)滤液 i 除钙、镁是将溶液中 Ca2+与 Mg2+转化为 CaF2、
MgF2 沉 淀 , 根 据 溶 度 积 可 知 c(Mg2 + ) ∶c(Ca2 + ) =Ksp(MgF2)
Ksp(CaF2)=
7.35 × 10-11
1.50 × 10-10=0.49。
答案 (1)Co2O3+SO2-3 +4H+===2Co2++SO2-4 +2H2O (2)将 Fe 2
+ 氧 化 成 Fe3 + ClO-3 + 6Fe2 + + 6H + ===Cl - + 6Fe3 + + 3H2O Cl2
(3)Fe(OH)3、Al(OH)3 (4)除去溶液中的 Mn2+ B (5)降低烘干温度,
防止产品失去结晶水
(6)0.49