化学工艺流程 讲义 2021届新高考化学二轮专题综合分析（题型分析+演练）

化学工艺流程 【题型分析】化学工艺流程试题就是将化工生产过程中的主要生产阶段即生产流程用框图形式表示出来，并根 据生产流程中有关的化学知识步步设问，形成与化工生产紧密联系的化工工艺试题。高考中“化学工艺流程试题”命 题内容广泛，密切联系生产、生活实际，设问方式灵活，充分体现了“化学是真实的”的命题指导思想，主要特征是 以化工生产为背景，用框图的形式表述生产流程，主题内容广泛，密切联系生产、生活实际，题材丰富。主要考查 学生对已学知识的掌握、理解、迁移、转换、重组和解决实际问题的能力。这类题型不但综合考查考生在中学阶段 所学的元素及其化合物知识以及物质结构、元素周期律、氧化还原反应、化学用语、（电解质溶液）、化学平衡、电 化学、实验操作等知识，而且更重要的是能突出考查考生的综合分析判断能力、逻辑推理能力，且这类试题陌生度 高，文字量大，包含信息多，思维能力要求高，是近年来已成为高考化学主观题中得分较低的题型。 【考点综述】 1.解答与物质制备的化学工艺流程题首先要明确原料（说明杂质）、产品、副产品（有时提供化学性质、物理性质、 制备原理）,，即箭头进出方向；其次依据流程图分析反应原理，搞清流程中每一步发生了什么反应（分离、提纯、 制备），联系储存的知识，有效地进行信息的利用，分析每一环节中物质流入和流出的意义、控制反应条件的作用， 融通对流程的整体分析。 （1）循环物质的确定： 前面生成，后面再次参与流程，该物质也是循环物质。 （2）副产品的判断： （3）滤渣、滤液成分的确定：要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂（过量）反应的情况： 反应过程中哪些物质(离子)消失了；所加试剂是否过量或离子间发生化学反应，又产生了哪些新离子?要考虑这些离 子间是否会发生反应。 2.化学工艺流程题常常结合工艺流程考查基本化学实验问题，答题时应首先明白从原料到产品依次进行了什么反应， 明确每一步所得到的除目标物质外还产生了什么杂质或副产物，进而依据物质的性质和题给信息清楚杂质或副产物 应该如何除去，以及每一步选择的分离方法进行到什么程度最佳。答题的基本方法和步骤为：从题干中获取有用信 息，了解生产的产品，整体浏览流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段，分析流程中的每一步骤反应 物是什么、发生了什么反应、该反应造成了什么后果、如何分离提纯得到粗产品或精产品。试题中常见的基本操作 与答题方向如下表： 常见的操作 答题的方向 加试剂（一般都过量） 使反应完全进行(或增大转化率、产率)；维持体系酸、碱、氧化、还原环境等； 与相关物质反应，体现除杂、获得目标物质等特点。 分离、提纯 常用到过滤、蒸发、萃取、分液、蒸馏等常规操作。 从溶液中得到晶体的方法：蒸发浓缩—冷却结晶—过滤—(洗涤、干燥) 结晶方法： ①晶体不带结晶水，如 NaCl、KNO3 等：蒸发结晶 ②晶体带结晶水，如胆矾等：将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥 ③要得到溶解度受温度影响小的溶质，如除去 NaCl 中少量的 KNO3：蒸发浓缩 结晶、趁热过滤，洗涤、干燥 ④要得到溶解度受温度影响大的溶质，如除去KNO3中少量的NaCl：蒸发浓缩、 趁热过滤、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥 冷却热饱和溶液：蒸发浓缩、（趁热过滤）、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥 物理法除杂：渗析、蒸发、蒸馏、升华、萃取等。 化学法除杂：转化为沉淀、气体、易除去物质。例：将Fe2+转化为Fe3+除掉 考法：仪器选择、试剂选择、操作描述、验证描述 提高原子利用率 （酸浸、碱浸、水浸） 绿色化学(物质的循环利用、废物处理、原子利用率、能量的充分利用) 问利用率或浸出率的提升时从时间、浓度、接触面积、温度、搅拌五个答题方 向。提升速率只有浓度、接触面积、温度、搅拌四个答题方向。 在空气中或在其他气 体中进行的反应或操 作 要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或能否达到隔绝空气，防氧化、 水解、潮解、安全等目的，两个方向：一问目的、原因；二问操作（如何隔绝 空气、如何检验隔绝了空气）。金属单质、还原性物质、可燃物都要隔绝空气。 判断沉淀是否洗涤干 净 （问检验和洗涤的操 作、问洗涤剂） 检验：取最后一次洗涤滤液少量，添加某种离子的检验试剂，若出现……现象， 证明…………，若不出现……现象，证明………… 洗涤沉淀：向漏斗中添加……，至没过所有沉淀，待过滤后重复2-3次 洗涤剂：减少溶解损耗，一般是冷水、热水、有机物如酒精、碱溶液、酸溶液 等。水洗常是为了除去晶体表面水溶性的杂质；“冰水洗涤”能洗去晶体表面的 杂质离子，且防止晶体在洗涤过程中的溶解损耗；用特定有机试剂洗去晶体表 面的杂质，降低晶体的溶解度、有利于析出，减少损耗、迅速干燥等；含结晶 水的物质不能用乙醇洗涤，会溶解结晶水。 控制溶液的pH 调节溶液的酸碱性；抑制……水解；使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀； “酸作用”还可除去氧化物(膜)；“碱作用”还可除去油污，除去铝片氧化膜，溶解 铝、二氧化硅等；特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)。一般通 过添加目标金属的单质、氧化物、碳酸盐、氢氧化物来实现。 控制温度（加热、高 ①防止副反应的发生 温、煅烧、灼烧） (常用水浴加热 0-100℃、冰块浴-10℃ 左右、冰水浴0℃、油 浴100-250℃、沙浴 350℃以上) ②使化学平衡移动；控制化学反应的方向，一般题干提示化学反应原理角度分 析才可以答 ③控制固体的溶解与结晶 ④控制反应速率；使催化剂达到最大活性 ⑤升温：促进溶液中的 O2 气体逸出，使某物质达到沸点挥发 ⑥加热煮沸：促进水解，聚沉后利于过滤分离 ⑦趁热过滤：减少因降温而析出的溶质的量 ⑧降温：防止物质高温分解或挥发；降温(或减压)可以减少能源成本，降低对 设备的要求 ⑨煅烧、灼烧：使物质发生反应，生成更容易提取出相应元素物质；改变结构 得到特殊结构状态；使杂质氧化、分解等 为什么选择这个温度，回答模式：温度过高……，温度过低……，所以…… 为什么采取控温调节，回答模式：高温会……或低温会…… 一般高温会使某个物质发生分解、挥发、水解等问题，低温主要是影响反应速 率。 物质转化的分析 跟踪物质，沿流程分析，分析每一步骤中可能发生的反应，书写相关方程式； 确定分离、提纯步骤中的去除的物质及其结构；确定循环物质（前用后出或前 出后用） 表面处理 用水洗除去表面可溶性杂质，金属晶体可用机械法(打磨)或化学法除去表面氧 化物、提高光洁度、油污等 加硫化物如Na2S 加氟化物如NaF 去除金属活动性顺序锌之后（包括锌）的金属离子 去除钙离子、镁离子 分析浸出率、控制条 件等图标 解释高低变化原因：注重主要影响条件。 选择条件：需要考虑成本。 化学计算 浸出率计算、产率计算、Ksp计算等。 回答问题时一定要查看问题前的文字和大题干的信息，会帮助我们找到答题方向。 【演练习题】 1、高锰酸钾是中学常用的试剂。工业上用软锰矿制备高锰酸钾流程如下。 (1)铋酸钠(不溶于水)用于定性检验酸性溶液中 Mn2＋的存在(铋的还原产物为 Bi3＋，Mn 的氧化产物为＋7 价)， 写出反应的离子方程式______________________。 (2)KMnO4 稀溶液是一种常用的消毒剂。其消毒原理与下列物质相同的是________(填代号)。 a．84 消毒液(NaClO 溶液) b．双氧水 c．苯酚 d．75%酒精 (3)上述流程中可以循环使用的物质有________、________(写化学式)。 (4)理论上(若不考虑物质循环与制备过程中的损失)1 mol MnO2 可制得________ mol KMnO4。 (5)该生产中需要纯净的 CO2 气体。写出实验室制取 CO2 的化学方程式________，所需气体产生装置是 ________(选填代号)。 (6)操作Ⅰ的名称是________；操作Ⅱ根据 KMnO4 和 K2CO3 两物质在________(填性质)上的差异，采用 ________(填操作步骤)、趁热过滤得到 KMnO4 粗晶体。 【答案】(1)2Mn2＋＋5NaBiO3＋14H＋===2MnO－ 4 ＋5Bi3＋＋5Na＋＋7H2O (2)ab (3)MnO2 KOH (4)2 3 (5)CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑ AC (6)过滤 溶解度 浓缩结晶 【解析】(1)由于 NaBiO3 不溶于水，在写离子方程式时，应保留其化学式。 (2)KMnO4 作为消毒剂，是利用其强氧化性，与 84 消毒液、H2O2 的消毒原理相同。 (3)在流程图中，一开始用到 MnO2 和 KOH，通入 CO2 后，又产生 MnO2；加入石灰苛化，生成 KOH，所以 MnO2、 KOH 可循环利用。 (4)MnO2―→K2MnO4―→KMnO4＋MnO2 1 1 x 1－x 根据电子守恒得：x＝2(1－x) 解得：x＝2 3 故理论上 1 mol MnO2 可制得2 3 mol KMnO4。 (5)实验室制 CO2 气体，应选用 CaCO3 和稀盐酸(或稀 HNO3)，可选用 A、C 装置。 (6)操作Ⅰ应使 KMnO4、K2CO3、MnO2 分离开，应采取过滤的方法，KMnO4、K2CO3 两种物质溶解度不同，采 取浓缩结晶使 KMnO4 晶体析出，然后再趁热过滤。 2、难溶性杂卤石(K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O)属于“呆矿”，在水中存在如下平衡： K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O(s) 2Ca2＋＋2K＋＋Mg2＋＋4SO2－ 4 ＋2H2O 为能充分利用钾资源，用饱和 Ca(OH)2 溶液溶浸杂卤石制备硫酸钾，工艺流程如下： (1)滤渣主要成分有________和________以及未溶杂卤石。 (2)用化学平衡移动原理解释 Ca(OH)2 溶液能溶解杂卤石浸出 K＋的原因：_____________。 (3)“除杂”环节中，先加入________溶液，经搅拌等操作后，过滤，再加入__________溶液调滤液 pH 至中性。 (4)不同温度下，K＋的浸 出浓度与溶浸时间的关系见右图。由图可得，随着温度升高， ①________________， ②__________________。 (5)有人以可溶性碳酸盐为溶浸剂，则溶浸过程中会发生：CaSO4(s)＋CO2－ 3 CaCO3(s)＋SO2－ 4 已知 298 K 时，Ksp(CaCO3)＝2.80×10－9mol2·L－2，Ksp(CaSO4)＝4.90×10－5mol2·L－2，求此温度下该反应的平衡常 数 K(计算结果保留三位有效数字)。 【答案】 (1)Mg(OH)2 CaSO4 (2)加入 Ca(OH)2 溶液，Mg2＋与 OH－结合生成 Mg(OH)2 沉淀，Mg2＋浓度减小，平衡正向移动，K＋增多 (3)K2CO3 H2SO4 (4)①溶浸平衡向右移动 ②K＋的溶浸速率增大 (5)CaSO4(s)＋CO2－ 3 CaCO3(s)＋SO 2－ 4 的平衡常数 K＝c SO\o\al(2－ 4 ,c CO\o\al(2－,3) )，据 Ksp(CaSO4)、 Ksp(CaCO3)可知，c(SO 2－ 4 )＝错误!，c(CO 2－ 3 )＝错误!，则有 K＝c SO\o\al(2－ 4 ,c CO\o\al(2－,3) )＝错误!＝ 4.90×10－5 2.80×10－9 ＝1.75×104。 方法技巧 要求用理论回答的试题，应采用“四段论法”：改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论→有 什么变化→得出什么结论。 【解析】 解题时，要依据制备 K2SO4 的工艺流程，结合物质的分离与提纯的原则进行分析。 (1)杂卤石中加入 Ca(OH)2 溶液，Mg2＋与 OH－结合生成 Mg(OH)2 沉淀，CaSO4 微溶于水，过滤后，滤渣中含有 Mg(OH)2、 CaSO4 及未溶解的杂卤石。 (2)加入 Ca(OH)2 溶液，Mg2＋与 OH－结合生成 Mg(OH)2 沉淀，使 c(Mg2＋)减小，杂卤石的溶解平衡正向移动，同时 c(Ca2＋)与 c(SO2－ 4 )均增大，从而析出 CaSO4 沉淀，K＋留在滤 液中。 (3)滤液中含有 Ca2＋、OH－，可先加入过量 K2CO3 溶液，除去 Ca2＋，过滤后，再加入稀 H2SO4 调节溶液的 pH 至中 性。 (4)由图可知，随着温度升高，溶浸平衡向右移动，K＋的溶浸速率增大。 (5)CaSO4(s)＋CO2－ 3 CaCO3(s)＋SO 2－ 4 的平衡常数 K＝c SO\o\al(2－ 4 ,c CO\o\al(2－,3) )。CaCO3(s)、CaSO4(s)分 别存在溶解平衡：CaCO3(s) Ca2＋(aq)＋CO2－ 3 (aq)，CaSO4(s) Ca2＋(aq)＋SO2－ 4 (aq)，则有 Ksp(CaCO3)＝c(Ca2 ＋ )·c(CO 2－ 3 ) ＝ 2.80×10 － 9mol2·L － 2 ， Ksp(CaSO4) ＝ c(Ca2 ＋ )·c(SO 2－ 4 ) ＝ 4.90×10 － 5mol2·L － 2 ， 那 么 K ＝ c SO\o\al(2－ 4 ,c CO\o\al(2－,3) )＝错误!＝错误!＝4.90×10－5 2.80×10－9 ＝1.75×104。 3. 锂被誉为“金属味精”，以 LiCoO2 为正极材料的锂离子电池已被广泛用作便携式电源。工业上常以β-锂辉矿 (主要成分为 LiAlSi2O6，还含有 FeO、MgO、CaO 等杂质)为原料来制取金属锂。其中一种工艺流程如下： 已知：①部分金属氢氧化物开始沉淀和完全沉淀时的 pH： 氢氧化物 Fe(OH)3 Al(OH)3 Mg(OH)2 开始沉淀 pH 2.7 3.7 9.6 完全沉淀 pH 3.7 4.7 11 ②Li2CO3 在不同温度下的溶解度如下表： 温度/℃ 0 10 20 50 75 100 Li2CO3 的溶解度/g 1.539 1.406 1.329 1.181 0.866 0.728 请回答下列问题： (1)用氧化物形式表示 LiAlSi2O6 的组成：__________________________。 (2)反应Ⅱ加入碳酸钙的作用是__________________________________。 (3)写出反应Ⅲ中生成沉淀 A 的离子方程式：________________________。 (4) 洗 涤 所 得 Li2CO3 沉 淀 要 使 用 ________( 选 填 “ 热 水 ” 或 “ 冷 水 ”) ， 你 选 择 的 理 由 是 __________________________________。 (5) 电 解 熔 融 氯 化 锂 生 产 锂 时 ， 阳 极 产 生 的 氯 气 中 会 混 有 少 量 氧 气 ， 原 因 是 ________________________________________。 【答案】 (1)Li2O·Al2O3·4SiO2 (2)除去反应Ⅰ中过量的 H2SO4；控制 pH，使 Fe3＋、Al3＋完全沉淀 (3)Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓、Ca2＋＋CO2－ 3 ===CaCO3↓ (4)热水 Li2CO3 在较高温度下溶解度小，用热水洗涤可减少 Li2CO3 的损耗 (5)加热蒸干 LiCl 溶液时，LiCl 有少量水解生成 LiOH，受热分解生成 Li2O，电解时产生 O2(其他合理答案均可) 【解析】 (1)用氧化物表示 LiAlSi2O6 时，活泼的金属氧化物在前，不活泼的在后，水放在最后。 (2)加入 CaCO3，可除去反应Ⅰ中过量的 H2SO4，降低溶液中 c(H＋)，根据 pH＝5，可使 Fe3＋、Al3＋完全沉淀。 (3)在反应Ⅲ中，加入 Ca(OH)2、Na2CO3 沉淀的是 Mg2＋和 Ca2＋。 (4)由于温度越高，Li2CO3 的溶解度越小，所以应用热水洗涤 Li2CO3。 (5)由于在加热蒸干 LiCl 溶液时，会产生少量的 LiOH，受热分解生成 Li2O，所以电解时会产生 O2。 4. 聚合硫酸铁又称聚铁，化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3－0.5n]m，广泛用于污水处理。实验室利用硫酸厂烧渣(主要成分 为铁的氧化物及少量 FeS、SiO2 等)制备聚铁和绿矾(FeSO4·7H2O)，过程如下： (1)验证固体 W 焙烧后产生的气体含有 SO2 的方法是________________。 (2)实验室制备、收集干燥的 SO2，所需仪器如下。装置 A 产生 SO2，按气流方向连接各仪器接口，顺序为 a→________→________→________→________→f。 装置 A 中发生反应的化学方程式为__________________________。 (3)制备绿矾时，向溶液 X 中加入过量________，充分反应后，经过滤操作得到溶液 Y，再经浓缩、结晶等步 骤得到绿矾。过滤所需的玻璃仪器有________________。 (4)欲测定溶液Y中Fe2＋的浓度，需要用容量瓶配制KMnO4标准溶液，用KMnO4标准溶液滴定时应选用________ 滴定管(填“酸式”或“碱式”)。 (5)溶液 Z 的 pH 影响聚铁中铁的质量分数。若溶液 Z 的 pH 偏小，将导致聚铁中铁的质量分数________(填“偏 大”、“偏小”或“无影响”)。 【答案】 (1)将气体通入品红溶液，溶液褪色，加热恢复原色 (2)d→e→c→b Cu＋2H2SO4(浓)===== △ CuSO4＋SO2↑＋2H2O (3)铁屑 烧杯、漏斗、玻璃棒 (4)酸式 (5)偏小 【解析】 (1)利用品红溶液验证 SO2，使品红溶液褪色，加热恢复红色。 (2)由于装置 A 中有加热装置，所以是利用 Cu 和浓硫酸反应制 SO2，C 为干燥装置，B 为收集装置，D、E 为尾 气处理装置。 (3)由于 X 中含有 Fe3＋，所以制备绿矾时，应加入 Fe 粉，使 Fe3＋还原成 Fe2＋。此处审题应注意玻璃仪器。 (4)KMnO4 溶液具有强氧化性，应选择酸式滴定管。 (5)Fe3＋＋3H2O Fe(OH)3＋3H＋，pH 越小，Fe3＋的水解程度越小，导致聚铁中铁的质量分数偏小。 5. 多晶硅(硅单质的一种)被称为“微电子大厦的基石”，制备中副产物以 SiCl4 为主，它环境污染很大，能遇水强烈 水解，放出大量的热。研究人员利用 SiCl4 水解生成的盐酸和钡矿粉(主要成分为 BaCO3，且含有铁、镁等离子) 制备 BaCl2·2H2O，工艺流程如下： 已知： ①常温下 Fe3＋、Mg2＋完全沉淀的 pH 分别是 3.4、12.4 ②BaCO3 的相对分子质量是 197；BaCl2·2H2O 的相对分子质量是 244 回答下列问题： (1)SiCl4 发生水解反应的化学方程式为____________________________。 (2)用 H2 还原 SiCl4 蒸气可制取纯度很高的硅，当反应中有 1 mol 电子转移时吸收 59 kJ 热量，则该反应的热化 学方程式为____________________。 (3)加钡矿粉并调节 pH＝7 的目的是①____________，②____________。 (4)过滤②后的滤液中 Fe3＋浓度为______(滤液温度 25 ℃，Ksp[Fe(OH)3]＝2.2×10－38)。 (5)生成滤渣 A 的离子方程式______________________。 (6)列式计算出 10 吨含 78.8% BaCO3 的钡矿粉理论上最多能生成 BaCl2·2H2O 的质量为多少吨？ 【答案】 (1)SiCl4＋4H2O===H4SiO4↓＋4HCl (2)SiCl4(g)＋2H2(g)===Si(s)＋4HCl(g) ΔH＝＋236 kJ·mol－1 (3)使 BaCO3 转化为 BaCl2 使 Fe3＋完全沉淀 (4)2.2×10－17 mol·L－1 (5)Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓ (6)m＝ 10t×78.8% 197 g·mol－1×244 g·mol－1＝9.76 t 【解析】 (1)SiCl4 水解生成 H4SiO4 和 HCl。 (2)SiCl4＋2H2===== 高温 Si＋4HCl，当有 4 mol 电子转移时，吸收热量为 236 kJ，所以热化学方程式为 SiCl4(g)＋ 2H2(g)===Si(s)＋4HCl(g) ΔH＝＋236 kJ·mol－1。 (3)加入 BaCO3，可发生反应 BaCO3＋2HCl===CO2↑＋H2O＋BaCl2，并降低 c(H＋)，使 Fe3＋完全水解生成 Fe(OH)3 沉淀。 (4)c(OH－)＝10－7 mol·L－1 c(Fe3＋)＝2.2×10－38 10－7 3 ＝2.2×10－17 mol·L－1 (5)根据信息，当 pH＝12.5 时，Mg2＋完全沉淀，Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓。 (6)根据 Ba2＋守恒得：m(BaCl2·2H2O) ＝10 t×78.8% 197 g·mol－1×244 g·mol－1 ＝9.76 t。 6. 亚氯酸钠(NaClO2)是一种强氧化性漂白剂，广泛用于纺织、印染和食品工业。它在碱性环境中稳定存在。某同学 查阅资料后设计生产 NaClO2 的主要流程如下。 (1)双氧水的结构式为________________；Ⅰ中发生反应的还原剂是________(填化学式)。 (2)Ⅱ中反应的离子方程式是____________________________。 (3)A 的化学式是________________，装置Ⅲ中 A 在______________极区产生。 (4)ClO2 是一种高效水处理剂，可用亚氯酸钠和稀盐酸为原料制备。 ①写出该反应的化学方程式________________。 ②研究表明：若反应开始时盐酸浓度较大，则气体产物中有 Cl2 ，用离子方程式解释产生 Cl2 的原因 ______________________。 (5)NaClO2 变质可分解为 NaClO3 和 NaCl。取等质量变质前后的 NaClO2 试样均配成溶液，分别与足量 FeSO4 溶 液反应时，消耗 Fe2＋的物质的量________(填“相同”、“不相同”或“无法判断”)。 【答案】 (1)H—O—O—H Na2SO3 (2)2ClO2＋H2O2＋2OH－===2ClO－ 2 ＋O2↑＋2H2O (3)H2SO4 阳 (4)①5NaClO2＋4HCl===5NaCl＋4ClO2↑＋2H2O ②ClO－ 2 ＋3Cl－＋4H＋===2Cl2↑＋2H2O (5)相同 【解析】 (1)Na2SO3 具有还原性，作还原剂。 (2)在Ⅱ中，ClO2 气体把 H2O2 氧化，离子方程式为 2ClO2＋H2O2＋2OH－===2ClO－ 2 ＋O2↑＋2H2O (3)装置Ⅲ中发生的电极反应式为 阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 阴极：4H＋＋4e－===2H2↑ 所以在阳极附近生成 H2SO4。 (4)5NaClO2＋4HCl===5NaCl＋4ClO2↑＋2H2O 若盐酸的浓度过大，则发生反应 ClO－ 2 ＋3Cl－＋4H＋===2Cl2↑＋2H2O (5)3NaClO2===2NaClO3＋NaCl 3 mol 2 mol 1 mol ClO－ 2 ＋4Fe2＋＋4H＋===Cl－＋4Fe3＋＋2H2O 3 mol 12 mol ClO－ 3 ＋6Fe2＋＋6H＋===Cl－＋6Fe3＋＋3H2O 2 mol 12 mol 所以消耗 Fe2＋的物质的量相同。 7. 金属钛(Ti)因其硬度大、熔点高、常温时耐酸碱腐蚀而被广泛用作高新科技材料，被誉为“未来金属”。以钛铁矿 (主要成分 FeTiO3，钛酸亚铁)为主要原料冶炼金属钛同时获得副产品甲的工业生产流程如下： 回答下列问题： (1)钛铁矿和浓硫酸反应的产物之一是 TiOSO4，反应中无气体生成。副产品甲阳离子是________。 (2)上述生产流程中加入铁屑的目的是____________________________。 (3)此时溶液Ⅰ中含有 Fe2＋、TiO2＋和少量 Mg2＋等阳离子。常温下，其对应氢氧化物的 Ksp 如下表所示。 氢氧化物 Fe(OH)2 TiO(OH)2 Mg(OH)2 Ksp 8.0×10－16 1.0×10－29 1.8×10－11 ①常温下，若所得溶液中 Mg2＋的物质的量浓度为 0.001 8 mol·L－1，当溶液的 pH 等于________时，Mg(OH)2 开 始沉淀。 ②若将含有 Fe2＋、TiO2＋和 Mg2＋的溶液加水稀释，立即析出大量白色沉淀，写出该反应的离子方程式： ________________________。 (4)Mg 还原 TiCl4 过程中必须在 1 070 K 的温度下进行，你认为还应该控制的反应条件是__________________。 (5)在 800～1 000 ℃时电解 TiO2 也可制得海绵钛，装置如下图所示。 图中 b 是电源的________极，阴极的电极反应式________。 【答案】 (1)Fe2＋ (2)防止 Fe2＋氧化 (3)①10 ②TiO2＋＋2H2O===TiO(OH)2↓(或 H2TiO3)＋2H＋ (4)隔绝空气 (或惰性气氛中) (5)正 TiO2＋4e－===Ti＋2O2－ 【解析】 (1)FeTiO3＋2H2SO4===TiOSO4＋FeSO4＋2H2O，所以副产品甲阳离子为 Fe2＋。 (2)Fe2＋易被氧化，加入 Fe 可防止 Fe2＋氧化。 (3)①c(OH－)＝ 1.8×10－11 0.001 8 mol·L－1＝10－4 mol·L－1。 所以当 pH＝10 时，Mg(OH)2 开始沉淀。 ②由于 TiO(OH)2 的 Ksp 很小，所以加水稀释时，TiO2＋强烈水解，TiO2＋＋2H2O===TiO(OH)2↓＋2H＋。 (4)由于 Ti 易和 O2 反应生成 TiO2，所以在用 Mg 还原 TiCl4 时，应隔绝空气。 (5)TiO2 应作阴极，所以 a 为负极，b 为正极，电极反应式为 阴极：TiO2＋4e－===Ti＋2O2－ 阳极：2O2－－4e－===O2↑。 8 铝是重要的金属材料，铝土矿(主要成分是 Al2O3 和少量的 SiO2、Fe2O3 杂质)是工业上制取铝的原料。实验室模拟 工业上以铝土矿为原料制取 Al2(SO4)3 和铵明矾晶体[NH4Al(SO4)2·12H2O]的工艺流程如图所示： 请回答下列问题： (1) 固 体 a 的 化 学 式 为 ________ ， Ⅲ 中 通 入 足 量 CO2 气 体 发 生 反 应 的 离 子 方 程 式 为 ________________________________________________________________________。 (2)由Ⅴ制取铵明矾溶液的化学方程式为________，从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的实验操作依次为(填操作 名称)________、冷却结晶、过滤洗涤。 (3)以 1 000 kg 含氧化铝 36%的铝土矿为原料制取 Al2(SO4)3，需消耗质量分数 98%的硫酸(密度 1.84 g·cm－ 3)________ L(保留一位小数)。 (4)若同时制取铵明矾和硫酸铝，通过控制硫酸的用量调节两种产品的产量。若欲使制得的铵明矾和硫酸铝的物 质的量之比为 1∶1，则投料时铝土矿中的 Al2O3 和 H2SO4 的物质的量之比为________。 【答案】 (1)SiO2 [Al(OH)4]－＋CO2===HCO－ 3 ＋Al(OH)3↓ (2)Al2O3＋4H2SO4＋2NH3===2NH4Al(SO4)2＋3H2O 蒸发浓缩 (3)575.4 (4)3∶10 方法技巧 首尾分析法：对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙生产工序)试题，首先对比分析生产流程 示意图中的第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品)，从对比分析中找出原料与产品之间的关系，弄清生产流 程过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离提纯产品的化工工艺，然后再结合题设的问题，逐一推敲解 答。关键在于认真对比分析原料与产品的组成，从中找出将原料转化为产品和除去原材料中所包含的杂质的基 本原理和所采用的工艺生产措施。当把生产的主线弄清楚了，围绕生产主线所设计的系列问题也就可以解答了。 【解析】 (1)铝土矿中 Al2O3 和 Fe2O3 能溶于盐酸，SiO2 不溶于盐酸，所以固体 a 的化学式为 SiO2。Al2O3 溶 于烧碱生成 Na[Al(OH)4]溶液，在其中通入 CO2 生成 Al(OH)3 沉淀。 (2)Al(OH)3 分解生成 Al2O3，Al2O3 与稀硫酸、氨气反应生成铵明矾溶液。 (3)m(Al2O3)＝1 000 kg×36%＝360 kg，m(H2SO4)＝98×3×360 102 kg＝1 037.6 kg，需消耗质量分数 98%的硫酸(密度 1.84 g·cm－3)为 1 037.6×103 g 1.84 g·mL－1×98% ＝575.4×103 mL＝575.4 L。 (4)设制得的 Al2(SO4)3 和 NH4Al(SO4)2·12H2O 的物质的量都是 1 mol，则 Al3＋共 3 mol，SO 2－ 4 共 5 mol，根据铝 元素和 SO 2－ 4 守恒原理可得，加入 Al2O3 和 H2SO4 的物质的量之比为3 2 ∶5＝3∶10。 9. 近年来，硫化铜矿的湿法冶炼技术已经取得了很大的进展。现有一种催化氧化酸浸硫化铜矿的冶炼法，其工艺 流程如图 1 所示： 反应温度、固液比、反应时间、氯离子浓度都对铜的浸出率有较大的影响，下面是实验得出的这几种因素对铜 的浸出率影响的变化曲线图(如图 2～图 5 所示)。 回答下列问题： (1)火法炼铜的主要反应：①2CuFeS2＋4O2 =====800 ℃ Cu2S＋3SO2＋2FeO(炉渣)；②2Cu2S＋3O2 =====1 200 ℃ 2Cu2O＋ 2SO2；③2Cu2O＋Cu2S =====1 200 ℃ 6Cu＋SO2↑；则由 1 mol CuFeS2 生成 1 mol Cu，共消耗________ mol O2。在反应 ③中氧化剂为________，当有 0.3 mol 电子发生转移时，生成 SO2 的体积为________(标准状况)。 (2)写出反应 1 的化学方程式：________________，湿法炼铜与火法炼铜相比，优点是 _________________________________________________________。 (3)从溶液中得到 FeSO4·7H2O 晶体的操作是____________________________； 实验时常用乙醇洗涤晶体，优点是____________________________________。 (4)根据实验以及工业生产的实验要求，从下表中得出的最佳工艺条件为________(填 序号)。 选项 反应温度/℃ 固液比 c(Cl－)/mol·L－1 反应时间/h A 100 1∶5.5 0.7 7 B 95 1∶5 0.8 6 C 110 1∶6 0.9 8 【答案】 (1)2.5 Cu2O、Cu2S 1.12 L (2)2CuS＋O2＋2H2SO4 ===== 催化剂 2CuSO4＋2H2O＋2S 污染小，同时得到副产物硫酸亚铁晶体及硫黄，资源得到充 分利用 (3)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤 洗去晶体表面的水和杂质离子，同时减少晶体的损失 (4)B 【解析】 (1)将题给的三个方程式合并得：2CuFeS2＋5O2===== 高温 2Cu＋4SO2＋2FeO，当 CuFeS2 为 1 mol 时，消耗的 O2 为 2.5 mol。反应③中，根据化合价变化可知，Cu2O 和 Cu2S 中 Cu 的化合价都降低，故它们都是氧化剂。生成 1 mol SO2 转移 6 mol 电子，当有 0.3 mol 电子转移时，生成 SO2 0.05 mol，体积为 1.12 L(标准状况)。(2)火法炼铜中产 生有毒的 SO2，而湿法炼铜中不产生有毒气体，故其优点是污染小，环保，同时湿法炼铜中还得到副产品硫酸亚铁 晶体及硫黄，充分利用了资源。(3)FeSO4·7H2O 晶体受热易失去结晶水，故从溶液中得到 FeSO4·7H2O 晶体的操作应 是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。又因该晶体易溶于水，故不能用水洗涤，需用乙醇洗涤，不仅可以洗去晶体表面的 水和杂质离子，还可以减少晶体的损失。(4)从图 2 可以看出：铜的浸出率随反应温度的升高而增大，在温度达到 95 ℃后，铜的浸出率随温度的变化不明显，但是温度过高，能耗增加，由此可知适宜的反应温度为 95 ℃。从图 3 可以看出：固液比大于 1∶5 时，铜的浸出率随固液比的增大而有所下降；固液比小于 1∶5 时，铜的浸出率随固液 比的减小而有所下降，因此适宜的固液比为 1∶5。从图 4 可以看出：铜的浸出率随反应时间的增加而增大，但在反 应时间超过 6 h 后，随着反应时间的延长铜的浸出率增大得很缓慢，同时反应时间过长，既增加能耗，又降低设备 利用率，故适宜的反应时间为 6 h。由图 5 可以看出：加入氯离子能改善铜的浸出效果，但是氯离子浓度超过 0.8 mol·L －1 时，铜的浸出率随氯离子浓度的增大反而降低，故适宜的氯离子浓度应维持在 0.8 mol·L－1。