第三单元
金属及其化合物
增分微课3 工艺流程图的解读
增分典例探究
提分强化训练年份 2019 2018 2017
题号
全国Ⅰ26、27;全国Ⅱ26;全
国Ⅲ26
全国Ⅰ7、27;全国Ⅱ26;全国
Ⅲ27
全国Ⅱ26;全国
Ⅲ27
素养
剖析
工艺流程图题几乎是近几年来全国卷高考题的固定题型,此类题的特点:情景新,
问题设置也往往有独到之处,但重点还是考查考纲范围内的化学基础知识和基本
能力,特别是对物质制备方法、物质间的转化途径、混合物分离和除杂方法、化
学实验基本操作方法、陌生情景中化学方程式或离子方程式的书写及简单计算
能力的综合考查。可以说此类题型有效考查了考生的“变化观念与平衡思想、证
据推理与创新意识”等核心素养1.工艺流程图题思维主线
(1)规律:主线主产品,分支副产品,回头为循环。
(2)读流程图
①箭头:
箭头进入的是投料(反应物)、
出去的是主产物或副产物(生成物)。
②三线:
出线和进线均表示物料流向或操作流程,可逆线表示物质循环。
ဌÊ 方法概述 ဌÊ2.化工流程题中表述性词汇“八大答题方向”
化工生产流程和综合实验题中经常会出现一些表述性词语,这些表述性词语就是隐性
信息,它可以暗示我们所应考虑的答题角度。常见的有:
(1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发、物质的不稳定性和物质的转化等。
(2)“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、产率等。
(3)“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或是否影响产品的纯度。
(4)“在空气中或在其他气体中”——主要考虑O2、H2O、CO2、其他气体是否参与反应
或达到防氧化、防水解、防潮解等目的。(5)“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试管中,向其中滴加某试剂,以
检验其中的某种离子。
(6)“检验某物质的设计方案”——通常取少量某液体于试管中,加入另一试剂产生某现
象,然后得出结论。
(7)“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。
(8)“用某些有机试剂清洗”
①降低物质溶解度,有利于产品析出;
②洗涤沉淀:减少损耗和提高利用率等。增分点一 物质制备型工艺流程题
1.制备过程中原料预处理的5种常用方法
看方法 想目的
研磨 增大固体与液体或气体间的接触面积,加快反应速率
水浸 与水接触反应或溶解
酸浸 与酸接触反应或溶解,使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去
灼烧
除去可燃性杂质或使原料初步转化,如从海带中提取碘时的灼烧就是为了除
去可燃性杂质
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,如煅烧高岭
土2.制备过程中控制反应条件的6种方法
看方法 想目的
调节溶液的pH 常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀
控制温度 根据需要升温或降温,改变反应速率或使平衡向需要的方向移动
控制压强 改变速率,影响平衡
使用合适的催化剂 改变反应速率,控制达到平衡所需要的时间
趁热过滤 防止某物质降温时析出
冰水洗涤 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[注意]调节pH所需的物质一般应满足两点:
①能与H+反应,使溶液pH变大;
②不引入新杂质。
例如若要除去Cu2+中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3等
物质来调节溶液的pH,不可加入NaOH溶液、氨水等。例1 [2019·全国卷Ⅰ] 硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥
料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼
酸及轻质氧化镁的工艺流程如图所示。回答下列问题:
(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿
粉,产生的气体在“吸收”
中反应的化学方程式为
ဌÊ 。 NH4HCO3+NH3=(NH4)2CO3硫酸铵溶液中存在水解平衡: ,根据硼镁矿的成分它能使平
衡 ,生成的 浓度增大,因溶液中存在平衡 ,
浓度增大促进分解产生 。用NH4HCO3溶液吸收氨,发生的反应为
【信息解读】
向右移动 NH3·H2O
NH3·H2O NH3
NH4HCO3+NH3=(NH4)2CO3 二氧化硅、氧化铁、氧化铝不溶于硫酸铵溶液,滤渣1的主要成分是二氧化硅、氧
化铁、氧化铝。检验Fe3+的试剂可选用
例1 [2019·全国卷Ⅰ] 硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥
料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼
酸及轻质氧化镁的工艺流程如图所示。
回答下列问题:
(2)“滤渣1”的主要成分有 。
为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+离子,可选用的化学试剂是 。
SiO2、Fe2O3、Al2O3
KSCN
【信息解读】
KSCN
转化为H3BO3,促进析出一元弱
【信息解读】
将硼元素转化为硼酸,促进硼酸析出
由题给硼酸的解离反应方程式知,硼酸是一元弱酸。“过滤2”之前,调节pH≈3.5目的是
。例1 [2019·全国卷Ⅰ] 硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料
等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及
轻质氧化镁的工艺流程如图所示。
回答下列问题:
(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3
沉淀的离子方程式为 ,
, 母液经
加热后可返回 工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是 。
溶浸 高温焙烧“沉镁”中,碳酸铵溶液与硫酸镁溶液发生相互促进的水解反应生成碱式碳酸镁:
,或者反应生成碱式
碳酸镁和碳酸氢盐。母液含 ,可以将母液返回“溶浸”工序循环使用,体现绿色化
学理念和环境保护思想。碱式碳酸镁转化成轻质氧化镁,联系碳酸镁、氢氧化镁受热
都能分解生成氧化镁,也可以联系碱式碳酸铜分解生成氧化铜、水和二氧化碳,可知
采用的方法是高温焙烧法,化学方程式为
【信息解读】
2MgSO4+2(NH4)2CO3+H2O=Mg(OH)2·MgCO3↓+2(NH4)2SO4+CO2
NH3
NH4HCO3+NH3=(NH4)2CO3变式题 [2019·全国卷Ⅲ] 高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由
天然二氧化锰粉与硫化锰
矿(还含Fe、Al、Mg、
Zn、Ni、Si等元素)制备,
工艺如图所示。回答下列问题:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]
形成氢氧化物沉淀的pH范围见右表:
(1)“滤渣1”含有S和 ;写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的
化学方程式: 。
SiO2(不溶性硅酸盐
)
金属离子 Mn2+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Mg2+ Zn2+ Ni2+
开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9
沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9
MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O[解析]加硫酸“溶浸”过程中MnO2将MnS中的S2-氧化为单质硫
:MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O。锰矿中含有的二氧化硅(或硅
酸盐)不溶于稀硫酸,所以“滤渣1”为S和二氧化硅(或不溶性硅酸盐)。变式题 [2019·全国卷Ⅲ] 高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由
天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、
Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制
备,工艺如图所示。回答下列问题:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]
形成氢氧化物沉淀的pH范围见右表:
(2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是 。将Fe2+氧化为Fe3+
金属离子 Mn2+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Mg2+ Zn2+ Ni2+
开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9
沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9
[解析] “溶浸”时杂质Fe、Al、Mg、Zn、Ni等元素也都转化为相应的硫酸盐,其中有
Fe2+存在,结合金属离子沉淀时的pH范围,可知加MnO2是将溶液中的Fe2+氧化为Fe3+,
以方便沉淀除去。变式题 [2019·全国卷Ⅲ] 高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由
天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备,工艺如图所
示。回答下列问题:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]
形成氢氧化物沉淀的pH范围见右表:
(3)“调pH”除铁和铝,溶液的pH范围
应调节为 ~6之间。
(4)“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+,“滤渣3”的主要成分是 。
(5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。若溶液酸度过高,Mg2+沉淀不完全,原因
是 。
4.7
金属离子 Mn2+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Mg2+ Zn2+ Ni2+
开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9
沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9
NiS和ZnS
变式题 [2019·全国卷Ⅲ] 高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由
天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、
Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备,工艺如
图所示。回答下列问题:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L-1]
形成氢氧化物沉淀的pH范围见右表:
ဌÊ(6)写出“沉锰”的离子方程式: 。
金属离子 Mn2+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Mg2+ Zn2+ Ni2+
开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9
沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9
[解析]流程图中加NH4HCO3是为了沉淀锰,产物为MnCO3,同时生成CO2和(NH4)2SO4、
H2O。
1.把握物质提纯的“6种”常用方法
增分点二 物质分离、提纯型工艺流程题
看目的 选方法
除去可溶性杂质 水溶法
除去碱性杂质 酸溶法
除去酸性杂质 碱溶法
除去还原性或氧化性杂质 氧化还原法
除去受热易分解或易挥发的杂质 加热灼烧法
除去酸性Cu2+溶液中的Fe3+等 调pH法2.正确选择物质分离的“6种”常用方法
看目的 选方法
分离难溶物质和易溶物,根据特殊需要采用趁热过滤
或者抽滤等方法
过滤(热滤或抽滤)
利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提纯分
离物质,如用CCl4或苯萃取溴水中的溴
萃取和分液
提纯溶解度随温度变化不大的溶质,如NaCl 蒸发结晶（续表）
看目的 选方法
提纯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
冷却结晶
分离沸点不同且互溶的液体混合物,如分离乙醇和甘油 蒸馏与分馏
利用气体易液化的特点分离气体,如合成氨工业采用冷
却法分离氨与氮气、氢气
冷却法例2 [2018·江苏卷] 以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2 ,少量FeS2和金属硫
酸盐)为原料, 生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如下:
(1)焙烧过程均会产生SO2 ,用NaOH 溶液吸收过量SO2的离子方程式为 。
过量的SO2与NaOH反应生成
【信息解读】
NaHSO3
FeS2
硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中①由于多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃,则在低于500 ℃时去除的
硫元素主要来源于 ;
②700 ℃时硫酸盐分解产生 ,CaO与气体反应最终转化为
FeS2
【信息解读】
SO2或SO3
CaSO4(3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2 ,铝元素存在的形式由 (填
化学式)转化为 (填化学式)。
NaAlO2
Al(OH)3
Al2O3与NaOH溶液反应生成 ,通入过量的CO2,发生反应
【信息解读】
NaAlO2
设化学方程式为FeS2+xFe2O3=yFe3O4+2SO2↑,根据铁元素和氧元素守恒可
得 ,求得x= ,y=
(4)“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下
焙烧生成Fe3O4和SO2,理论上完全反应消耗的 n(FeS2)∶n(Fe2O3)= 。1∶16
【信息解读】
2x+1=3y、3x=4y+4 16 11变式题 [2017·天津卷节选] 某混合物浆液含Al(OH)3、
MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使
Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小组利用设计的电
解分离装置(见图),使浆液分离成固体混合物和含铬元
素溶液,并回收利用。固体混合物的分离和利用(流
程图中的部分分离操作和反应条件未标明)
(1)反应①所加试剂NaOH的电子式为
,B→C的反应条件为
,C→Al的制备方法称为
。
加热(或煅烧
) 电解法 固体混合物分离利用的流程图(2)该小组探究反应②发生的条件。D与浓盐酸混合,不加热,无变化;加热有Cl2生成,当
反应停止后,固体有剩余,此时滴加硫酸,又产生Cl2。由此判断影响该反应有效进行的
因素有 (填序号)。
a.温度 b.Cl-的浓度 c.溶液的酸度
ac
[解析] 从题意知,通过电解分离出含铬元素的溶液和固体混合物(氢氧化铝和二氧化
锰);因Al(OH)3能够溶于NaOH溶液,故固体D是MnO2,溶液A是NaAlO2溶液,沉淀B是
Al(OH)3,固体C是Al2O3。1.硼镁泥是一种工业废料,主要成分是MgO(占40%),还有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、
Al2O3、SiO2等杂质,以此为原料制取
的硫酸镁,可用于印染、造纸、医药
等工业。从硼镁泥中提取MgSO4·
7H2O的流程如图所示。已知某些氢氧化物沉淀
的pH如上表所示。请回答下列问题:
(1)在“酸解”过程中,欲加快“酸解”时的化学反应速率,
请提出两种可行的措施: ,
。
氢氧化物 开始沉淀
时的pH
完全沉淀
时的pH
Mg(OH)2 9.3 10.8
Fe(OH)2 7.6 9.6
Fe(OH)3 2.7 3.7
Al(OH)3 3.7 4.7
适当升高温度、把硼镁泥
粉碎(或搅拌、适当增大硫酸浓度等)
[解析]加快“酸解”过程是化学反应速率问题,故可采用
增大浓度、升高温度、增大反应物的接触面积等措施。(2)加入的NaClO可与Mn2+反应:Mn2++ClO-+H2O=MnO2↓+2H++Cl-,还有一种离子也会被
NaClO氧化,并发生水解,该反应的离子方程式为 。 2Fe2++ClO-+5H2O=2Fe(OH)3↓+Cl-+4H+
[解析] ClO-可将Fe2+氧化为Fe3+,而ClO-被还原为Cl-;生成的Fe3+水解生成Fe(OH)3,其
离子方程式可写为2Fe2++ClO-+5H2O=2Fe(OH)3↓+Cl-+4H+。(3)“滤渣”的主要成分除Fe(OH)3、Al(OH)3、MnO2外,还有 。 SiO2
[解析] 由于该硼镁泥中有MgO、
CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、
SiO2等物质,所 以“酸解”后生成的
阳离子有Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe3+、
Fe2+、Al3+等,不溶物为SiO2, Mn2+
被氧化为MnO2,Fe2+被氧化为Fe3+,
氢氧化物 开始沉淀时
的pH
完全沉淀
时的pH
Mg(OH)2 9.3 10.8
Fe(OH)2 7.6 9.6
Fe(OH)3 2.7 3.7
Al(OH)3 3.7 4.7(3)“滤渣”的主要成分除Fe(OH)3、Al(OH)3、MnO2外,还有 。 SiO2
根据第一个表格中数据可知,Fe(OH)3、
Al(OH)3完全沉淀的pH均小于5,所以
调节溶液pH为5~6时,Fe3+、Al3+分别
生成沉淀Fe(OH)3、 Al(OH)3,综上所
述,滤 渣为Fe(OH)3、Al(OH)3、
MnO2、SiO2。
氢氧化物 开始沉淀时
的pH
完全沉淀
时的pH
Mg(OH)2 9.3 10.8
Fe(OH)2 7.6 9.6
Fe(OH)3 2.7 3.7
Al(OH)3 3.7 4.7(4)已知不同温度下MgSO4、CaSO4的溶解度如下表所示。
“除钙”是将MgSO4和CaSO4混合溶液中
的CaSO4除去,根据表中数据,简要说明操
作步骤:蒸发浓缩、 。“操作Ⅰ”
是将滤液继续蒸发浓缩、冷却结晶、 ,便可得到MgSO4·7H2O。
趁热过滤
[解析]由温度对MgSO4、CaSO4的溶解度影响可以看出,温度越高,CaSO4的溶解度越
小,可以采用蒸发浓缩、趁热过滤的方法除去CaSO4;“操作Ⅰ”是将滤液继续蒸发浓
缩、冷却结晶,再经过滤、洗涤,得到MgSO4·7H2O。
温度/℃ 40 50 60 70
MgSO4的溶解度/g 30.9 33.4 35.6 36.9
CaSO4的溶解度/g 0.210 0.207 0.2010.193
过滤、洗涤(或过滤
)(5)实验中提供的硼镁泥共100 g,得到的MgSO4·7H2O为172.2 g,计算
MgSO4·7H2O的产率为 。70%
[解析] 100 g硼镁泥中MgO的物质的量为100 g×40%÷40 g·mol-1=1 mol,根据
镁元素守恒,生成的MgSO4·7H2O的物质的量为1 mol,质量为246 g·mol-1×1
mol=246 g,产率为172.2 g÷246 g×100%=70%。(6)金属镁可用于自然水体中铁件的电化学防腐,完成图中的防腐示意图,并作相应标注。
[答案] 或
[解析]电化学防腐有两种方法,一是牺牲阳极的阴极保护法,也就是用相对活泼的金
属作负极,铁件作正极;另一种是外加电流的阴极保护法,也就是将铁件连接电源的
负极,作为电解池的阴极。2.利用水钴矿(主要成分为Co2O3,含少量Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO、CaO、SiO2等)可
以制取多种化工试剂,以下为草酸钴晶体和氯化钴晶体的制备流程图,回答下列问题:
已知:①浸出液中含有的阳离子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Al3+、Mg2+、Ca2+等。
②沉淀Ⅰ中只含有两种沉淀。③流程中部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH如下表所示:
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(1)浸出过程中Co2O3发生反应的离子方程式为 。
(2)NaClO3在浸出液中发生反应的离子方程式为 。
(3)加入Na2CO3调pH至5.2,目的是
;萃取剂层
含锰元素,则沉淀Ⅱ的主要
成分为 。
使Fe3+和Al3+沉淀完全
[解析]根据工艺流程图,结合表格中提供的数据可知,加Na2CO3调pH至5.2,目的是使
Fe3+和Al3+沉淀完全。滤液Ⅰ中含有的金属阳离子为Co2+、Mn2+、Mg2+、Ca2+等,萃
取剂层含锰元素,结合流程图中向滤液Ⅰ中加入了NaF溶液,知沉淀Ⅱ为MgF2、CaF2。
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
CaF2和MgF2(4)操作Ⅰ包括:将水层加入浓盐酸调整pH为2~3, 、 、过滤、洗涤、
减压烘干等过程。
蒸发浓缩
[解析]经过操作Ⅰ由溶液得到结晶水合物,故除题中已知过程外,操作Ⅰ还包括蒸发
浓缩、冷却结晶。
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
冷却结晶(5)为测定粗产品中CoCl2·6H2O的含量,称取一定质量的粗产品溶于水,加入足量硝酸
酸化的硝酸银溶液,过滤、洗涤、干燥,测沉淀质量。通过计算发现粗产品中
CoCl2·6H2O质量分数大于100%,其原因可能是 ，
(回答一条原因即可)。
粗产品中结晶水含量低(或粗产品中
混有氯化钠杂质)
[解析]根据CoCl2·6H2O的组成及测定过程分析,造成粗产品中CoCl2·6H2O的质量分
数大于100%的原因可能是:含有氯化钠杂质,使氯离子含量增大或结晶水合物失去
部分结晶水,导致相同质量的固体中氯离子含量变大。(6)将5.49 g草酸钴晶体(CoC2O4·2H2O)置于空气中加热,受热过程中不同温
度范围内分别得到一种固体物质,其质量如下表。
经测定,整个受热过程,只产生水蒸气和CO2气体,则290~320 ℃温度范围,剩
余的固体物质化学式为 。(已知:CoC2O4·2H2O的摩
尔质量为183 g·mol-1)
Co3O4(或CoO·Co2O3)
温度范围/℃ 固体质量/g
150~210 4.41
290~320 2.41[解析]整个受热过程中只产生水蒸气和CO2气体,5.49 g CoC2O4·2H2O为0.03 mol,
固 体质量变为4.41 g时,质量减少1.08 g,恰好为0.06 mol H2O的质量,因此4.41 g固体
为0.03 mol CoC2O4。依据原子守恒知,生成n(CO2)=0.06 mol,m(CO2)=0.06 mol×
44 g·mol-1=2.64 g。而固体质量由4.41 g变为2.41 g时,质量减少2 g,说明290~320 ℃内
发生的不是分解反应,参加反应的物质还有氧气。则参加反应的m(O2)=2.64 g-2 g
=0.64 g,n(O2)=0.02 mol;n(CoC2O4)∶n(O2)∶n(CO2)=0.03∶0.02∶0.06=3∶2∶6,依据原子守
恒,配平化学方程式:3CoC2O4+2O2 Co3O4+6CO2,故290~320 ℃温度范围,
剩余固体物质的化学式为Co3O4(或CoO·Co2O3)。
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