化学工艺流程专题复习.doc

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专题 化学工艺流程题
随着新课改的进行，在高考化学试题中化工题逐渐成为一类热门的主流题型"它将高中化学与某些化工生产很好地融合在一起，题目情景新颖，综合性强，思维量大，具有挑战性。一些专家预测，在新课改背景下，无机化工题可能会逐渐取代以往高考化学试题中的无机框图型推断题，化工题是以某个具体的工业生产为背景，以化学基本理论为主线，结合化学实践!环境保护!化学计算等考查同学们应用所学知识探究解决生产实际问题的能力，对综合能力要求很高"化工题的特点表现为:题目多以流程图的形式出现;题目实际考查的是应用化学反应原理、化学平衡原理、离子平衡理论!晶体结构知识!物质制备和分离(提纯)知识、绿色化学观点、安全生产思想及从经济的视角分析、评价、探究实际生产中各种问题的能力.
一、 工艺流程题简介
1、工艺流程题是以与工业生产和日常生活密切相关的物质制备、分离和提纯为中心，以流程图为信息背景，以物质的性质、转化、分离等为考点，将元素化合物知识、化学反应原理、实验等内容有机融合
2、化学工艺流程题结构一般包括
题头、框图和问题三部分。
题头: 一般简单介绍此工艺的原料和目的是什么。
框图: 是简化的工艺流程图。
问题: 是根据生产流程中涉及到的化学知识设计的系列问题。
3、 读题审题—关键
1）.此流程的原料和目的是什么？ 2）流程中有哪些步骤？各步作用是什么？
3） 流程中涉及哪些化学知识点，如何把获取的信息用规范的语言文字正确表达出来？
二、真题试做
锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某离子电池正极材料有钴酸锂（LiCoO2），导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi++xe-=LixC6。

现欲利用以上工艺流程回收正极材料中的某些金属资源（部分条件为给出）。
回答下列问题：
⑴LiCoO2中，Co元素的化合价为_________。
⑵写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式_____________________________。
⑶酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式_____________⑷可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是___________________________。
⑸写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式______________________。
（5）充放电过程中，发生LiCoO2与Li1-xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式__________________________________。
（6）上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是___________________________
在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有__________________________(填化学式)。
真题试做答案
答案：(1)＋3
(2)2Al＋2OH－＋6H2O===2Al(OH)4－＋3H2↑
(3)2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O ,2H2O22H2O＋O2↑　有氯气生成，污染较大
(4)CoSO4＋2NH4HCO3===CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑
(5)Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋6C
(6)Li＋从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进入正极材料中　Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4
解题方法的归纳与总结
读正文 ，找信息 ， 灵活运用 看框内 ，看框外 ， 里外结合
边分析 ，边思考 ， 易处着手 先局部 ，后全盘 ， 逐步深入
三、常见的工业生产流程的主线和核心

1 、规律：主线主产品、分支副产品、回头为可循环的物质。
2 、核心考点：物质的分离操作、除杂试剂的选择、生产条件的控制、三废处理及能量的综合利用等。
3 、原料处理的方法和作用
⑴ 研磨（粉 碎）：增大接触面积，加快溶解或增大反应速率。
⑵ 浸 出 固体加水（酸或碱）溶解得到离子
① 水浸：与水接触溶解或反应，可通过延长时间、搅拌或适当升温来加速，以提高浸出率。
② 酸浸：与酸接触反应而溶解，使可溶性离子进入溶液，不溶物通过过滤除去。可通过适当增大酸的浓度、升温和强力搅拌等加快反应速率。
③ 碱浸(碱洗) 除去油污或氧化膜;溶解铝和二氧化硅
⑶ 过滤: 不溶物通过过滤除去
⑷ 水 洗 除去水溶性杂质
⑸ 灼烧：除去可燃性杂质或使原料初步转化。
⑹ 煅烧：改变结构，使一些物质在后续过程中易溶解，并可使一些杂质(如有机物)在高温下氧化、分解。
4 、实验条件的控制和目的
⑴调节溶液的pH值：控制溶液的酸碱性使某些金属离子形成氢氧化物沉淀而达到分离的目的，抑制某些离子的水解，防止某些离子的氧化等。在题目中常以表格形式给出信息。如Fe3＋
⑵控制体系的温度
①．控制低温：
防止物质的分解，如NaHCO3、NH4HCO3、H2O2、HNO3(浓)等；
防止物质的挥发，如盐酸、醋酸等；
抑制物质的水解；
增大气体反应物的溶解度，使其被充分吸收。
② 采取加热：加速某固体的溶解，加快反应速率；减少气体生成物的溶解并使其逸出，平衡向吸热方向移动；
③ 控制范围：确保催化剂的催化效果，兼顾速率和转化率，追求更好的经济效益，防止副反应发生等。
降 温（冰水中）防止物质在高温时溶解；使化学反应速率下降；使化学平衡向放热方向移动
控 温 温度过高，物质会分解或挥发
温度过低，物质无法挥发或者反应
趁热过滤，防止某物质降温时因析出而损耗或带入新的杂质。
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
5、 产品的分离和提纯
（1）过滤 基本操作：一贴二低三靠
（2）结晶
当溶液为单一溶质时：
所得晶体不带结晶水，如NaCl、KNO3等：蒸发结晶
所得晶体带结晶水，如胆矾等：将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。
当溶液为两种以上溶质时：
要得到溶解度受温度影响小的溶质：蒸发浓缩结晶，趁热过滤
要得到溶解度受温度影响大的溶质：蒸发浓缩、冷却结晶，过滤、洗涤、干燥。
（3）重结晶
（4）洗涤
洗涤：向过滤器中滴加蒸馏水至浸没固体表面，静置，使其自然流下，重复操作2-3次；
检验：取洗涤后最后几滴滤液，（若要检验氯离子）滴加AgNO3和稀硝酸，若无沉淀产生，则证明洗涤干净。
（5）干燥 在干燥器隔绝空气的条件下低温烘干
（6）灼烧 固体在坩埚中进行加热
（7）分液 打开分液漏斗活塞，下层液体从下口放出；上层液体从上口倒出
（8）重复操作
6、 物质分离或提纯常用的化学方法
⑴溶解法：利用特殊溶剂把杂质溶解而除去，如Fe(Al)可用过量的NaOH溶液而除去Al，CO2(HCl、H2O)先通过饱和食盐水，再通过浓H2SO4。
⑵沉淀法：a.加合适的沉淀剂(要使杂质离子充分沉淀，加入的沉淀剂必须过量，且在后续步骤中易除去)。b.调节溶液的酸碱性。
⑶洗涤法：a.水洗，b.冰水洗，c.有机溶剂洗，其目的是：洗去目标物表面的杂质离子；减少目标物的溶解损耗或增大有机杂质的溶解量；防止目标物形成结晶水合物；使晶体快速干燥。
7、可循环物质的判断
⑴ 流程图中回头箭头的物质
⑵ 生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液)，可能是前面某一步反应的相关物质。
8．绿色化学理念：
（1）环境污染问题；（2）原子的经济性；（3）节约能源（包括使用催化剂）；
（4）原料应是可再生的（或者可循环使用）；（5）工艺的安全性

9、 化学工艺流程题自查：
（1）对工艺流程题有没有整体、清晰的认识？ 了解化学工艺流程的主线；
（2）对工艺流程相关知识点是清清楚楚，还是模模糊糊？了解化学工艺流程考什么？
（3）叙述性问题是否能抓住要点？ 了解规范答题的要求；
（4）方程式书写和计算有无得分把握？
10、常见物质的分离、提纯和鉴别
常见物质除杂方法
序号
原物质
所含杂质
除杂质试剂
主要操作方法
1
N2
O2

2
CO2
H2S

3
CO
CO2

4
CO2
CO

5
CO2
HCI

6
H2S
HCI

7
SO2
HCI

8
CI2
HCI

9
H2
HCI

10
炭粉
MnO2

11
MnO2
C

12
炭粉
CuO

13
AI2O3
Fe2O3

14
Fe2O3
AI2O3

15
AI2O3
SiO2

16
SiO2
AI2O3

17
BaSO4
BaCO3

18
NaHCO3溶液
Na2CO3

19
Na2CO3固休
NaHCO3

20
FeCI3溶液
FeCI2

21
FeCI3溶液
CuCI2

22
FeCI2溶液
FeCI3

23
CuO
Fe

24
Fe(OH)3胶体
FeCI3

25
CuS
FeS

26
I2晶体
NaCI

27
NaCI晶体
NH4CI

28
KNO3晶体
NaCI

29
CO2
SO2

30
CuCl2
FeCl3/HCl

三个必须：加试剂必须过量；过量试剂必须除去；必须最佳实验方案。
四个原则：不增（新杂质）； 不减（被提纯物）；
易分（被提纯物与杂质）； 复原（被提纯物）。
除杂要注意：为使杂质除尽，加入的试剂不能是“适量”，而应是“过量”，但“过量”的试剂必须在后续的操作中便于除去。
11、 知识积累一
化工生产主要解决六方面问题：
⑴ 解决将原料转化为产品的生产原理；
⑵ 除去所有杂质并分离提纯产品；
⑶ 提高产量与产率；
⑷ 减少污染，考虑 “绿色化学”生产；
⑸ 原料的来源既要考虑丰富，还要考虑成本问题；
⑹ 生产设备简单，生产工艺简便可行等工艺生产问题
化学工艺流程题，一般也就围绕这六个方面设问求解。。要准确、顺利解答工艺流程题，学生除了必须要掌握物质的性质和物质之间相互作用的基本知识以及除杂分离提纯物质的基本技能外，最关键的问题要具备分析工艺生产流程的方法和能力。
【知识积累二】
常见与工业生产有关的化学反应——传统工业不能丢
① 工业制粗硅
②制漂白粉
③工业制硫酸
④合成氨工业
⑤工业制硝酸
⑥氯碱工业
⑦工业制玻璃
⑧工业制纯碱

12、化学工艺流程题常考问题
⑴、对反应条件的分析可从以下几个方面着手：
A、对反应速率有何影响？ （如何提高浸出率？如何提高反应速率？）
B、对平衡转化率有何影响？（如何提高产率？）
C、对综合生产效益有何影响？（如原料成本，原料来源是否广泛、是否可再生，能源成本，对设备的要求，环境保护）——从绿色化学方面作答。
⑵、对流程理解的问题：
A、滤渣、滤液的主要成分？（明确发生了什么反应）
B、该反应的化学方程式？
C、循环利用与回收利用的物质？（循环利用是作为原料投入了，却没有消耗或没有消耗完；回收利用是指副产品）
D、特定步骤中加某物质的作用？（一般题干会有隐含信息。比如加NaCl可以提高PbCl2的溶解度，加NaCl可以降低过碳酸钠的溶解度等等）
四、典型例析
【例1】（2013新课标2卷 27.）（14分）
氧化锌为白色粉末，可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。纯化工业级氧化锌(含有Fe(Ⅱ), Mn(Ⅱ), Ni(Ⅱ)等杂质)的流程如下:
提示:在本实脸条件下，Ni(Ⅱ)不能被氧化:高锰酸钾的还原产物是MnO2
回答下列问题:
(1)反应②中除掉的杂质离子是 ，发生反应的离子方程式为 ;在加高锰酸钾溶液前，若pH较低，对除杂的影响是 。
(2)反应③的反应类型为 .过滤得到的滤渣中，除了过量的锌外还有 。
(3)反应④形成的沉淀要用水洗，检验沉淀是否洗涤干净的方法是 。
(4)反应④中产物的成分可能是ZnCO3·xZn(OH)2 .取干操后的滤饼11.2g，煅烧后可得到产品8.1g.，则x等于 。
【例2】CoCl2·6H2O在饲料、医药工业上有广泛的用途。下列是以含钴废料（含少量Fe、Al等杂质）为原料制取CoCl2·6H2O的一种新工艺流程：

已知：
①钴与盐酸反应的化学方程式为：Co＋2HCl=CoCl2＋H2↑
②CoCl2·6H2O熔点86℃，易溶于水；常温下稳定无毒，加热至110~120℃时，失去结晶水变成有毒的无水氯化钴。
③部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：

请回答下列问题：
⑴加入碳酸钠调节pH至a，a的范围是 。
⑵操作Ⅰ包含3个基本实验操作，它们是 和过滤。
⑶制得的CoCl2·6H2O需减压烘干的原因 。
⑷为测定产品中CoCl2·6H2O含量，某同学将一定量的样品溶于水，再向其中加入足量的AgNO3溶液，过滤，并将沉淀烘干后称量其质量。通过计算发现产品中CoCl2·6H2O的质量分数大于100％，其原因可能是 。

【例3】 (10江苏）钡盐生产中排出大量的钡泥[主要含有BaCO3、BaSiO3、BaSO3、Ba(FeO2)2等．某主要生产BaCl2、BaCO3、BaSO4的化工厂利用钡泥制取Ba(NO3)2，其部分工艺流程如下：

（1）酸溶后溶液中pH=1，Ba(FeO2)2与HNO3的反应化学方程式为______．
（2）酸溶时通常控制反应温度不超过70℃，且不使用浓硝酸，原因是______、______．
（3）该厂结合本厂实际，选用的X为______（填化学式）；中和Ⅰ使溶液中______（填离子符号）的浓度减少（中和Ⅰ引起的溶液体积变化可忽略）．
（4）上述流程中洗涤的目的是______．
【例4】(2010安徽理综，27)锂离子电池的广泛应用使回收利用锂资源成为重要课题。某研究性学习小组对废旧锂离子电池正极材料(LiMn2O4、碳粉等涂覆在铝箔上)进行资源回收研究，设计实验流程如下：

(1)第②步反应得到的沉淀X的化学式为__________________________。
(2)第③步反应的离子方程式是____________________。
(3)第④步反应后，过滤Li2CO3所需的玻璃仪器有______________________。若过滤时发现滤液中有少量浑浊，从实验操作的角度给出两种可能的原因：__________________________、__________________________________。
(4)若废旧锂离子电池正极材料含LiMn2O4的质量为18.1 g，第③步反应中加入20.0 mL 3.0 mol·L－1的H2SO4溶液，假定正极材料中的锂经反应③和④完全转化为Li2CO3，则至少有______g Na2CO3参加了反应。
【例5】 (2011安徽理综，27) MnO2是一种重要的无机功能材料，粗MnO2的提纯是工业生产的重要环节。某研究性学习小组设计了将粗MnO2(含有较多的MnO和MnCO3)样品转化为纯MnO2的实验，其流程如下：
(1)第①步加稀硫酸时，粗MnO2样品中的________(写化学式)转化为可溶性物质。
(2)第②步反应的离子方程式是__＋ClO- ＋___==MnO2↓＋Cl2↑＋____。
(3)第③步蒸发操作必需的仪器有铁架台(含铁圈)、________、________、________，已知蒸发得到的固体中有NaClO3和NaOH，则一定还含有________(写化学式)。
(4)若粗MnO2样品的质量为12.69 g，第①步反应后，经过滤得到8.7 g MnO2，并收集到0.224L CO2(标准状况下)，则在第②步反应中至少需要________ mol NaClO3。
【例6】重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O)俗称红矾钠，在工业方面有广泛用途。我国目前主要是以铬铁矿（主要成份为FeO·Cr2O3，还含有Al2O3、MgO、SiO2等杂质）为主要原料进行生产，其主要工艺流程如下：
①中涉及的主要反应有：
主反应：4FeO·Cr2O3＋8Na2CO3＋7O2 8Na2CrO4＋2Fe2O3＋8CO2
副反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑、Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑
部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH：
沉淀物
Al(OH)3
Fe(OH)3
Mg(OH)2
Cr(OH)3
完全沉淀时溶液pH
4.7
3.7
11.2
5.6
试回答下列问题：
⑴ “①”中反应是在回转窑中进行，反应时需不断搅拌，其作用是 。两个副反应均为吸热反应，但在高温下均能自发进行，其原因是 。
⑵ “③”中调节pH至4.7，目的是 。
⑶ “⑤”中加硫酸酸化的目的是使CrO42－转化为Cr2O72－，请写出该平衡转化的离子方程式： 。
⑷ “⑦”中采用冷却结晶的方法析出红矾钠，依据是 制取红矾钠后的废水中还含有少量的CrO42－，根据有关标准，含CrO42－的废水 ，要经化学处理，使其浓度降至5.0×10－7 mol·L－1以下才能排放。含CrO42－的废水处理可用还原法：绿矾（硫酸亚铁晶体）还原CrO42－的离子方程式为：
【例7】氧化氯（ClO2）是一种高效、广谱、安全的杀菌、消毒剂。
（1）氯化钠电解法是一种可靠的工业生产ClO2方法。
①用于电解的食盐水需先除去其中的Ca2+、Mg2+、SO42-等杂质。其次除杂操作时，往粗盐水中先加入过量的________（填化学式），至沉淀不再产生后，再加入过量的Na2CO3和NaOH，充分反应后将沉淀一并滤去。经检测发现滤液中仍含有一定量的SO42-，其原因是___________【已知：Ksp(BaSO4)= 1.1 ×10-10 Ksp(BaCO3)= 5.1 ×10-9】
②该法工艺原理如右。其过程是将食盐水在特定条件下电解得到的氯酸钠（NaClO3）与盐酸反应生成ClO2。工艺中可以利用的单质有____________（填化学式），发生器中生成ClO2的化学方程式为___________。
（2）纤维素还原法制ClO2是一种新方法，其原理是：纤维素水解得到的最终产物D与NaClO3反应生成ClO2。完成反应的化学方程式：
□ （D） +24NaClO3+12H2SO4=□ClO2↑+□CO2↑+18H2O+□_________
（3）ClO2和Cl2均能将电镀废水中的CN-氧化为无毒的物质，自身被还原为Cl-。处理含CN-相同量得电镀废水，所需Cl2的物质的量是ClO2的_______倍

【例8】（2015新课标1 27）．硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿（主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如图所示：
回答下列问题：
（1）写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式_____________。为提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度浓度外，还可采取的措施有_________（写出两条）。
（2）利用_____的磁性，可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是___（化学式）。
（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是___。然后在调节溶液的pH约为5，目的是_____。
（4）“粗硼酸”中的主要杂质是________（填名称）。
（5）以硼酸为原料可制得硼氢化钠（NaBH4），它是有机合成中的重要还原剂，其电子式为____。
（6）单质硼可用于生成具有优良抗冲击性能硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程___________。

【例9】二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料。工业上以软锰矿为原料，利用硫酸亚铁制备高纯二氧化锰的流程如下：

某软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Si(16.27%)、Fe(5.86%)、Al(3.42%)、Zn(2.68%)和Cu（0.86%）等元素的化合物。部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的pH见下表，回答下列问题：
沉淀物
Al(OH)3
Fe(OH)3
Fe(OH)2
Mn(OH)2
Cu(OH)2
Zn(OH)2
CuS
ZnS
MnS
FeS
pH
5.2
3.2
9.7
10.4
6.7
8.。0
≥–0.42
≥2.5
≥7
≥7
（1）FeSO4在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为                    。
（2）滤渣A的主要成分是                         。
（3）加入MnS的目的是除去                     杂质。
（4）碱性锌锰电池中，MnO2参与的电极反应方程式为                         。
（5）从废旧碱性锌锰电池中可以回收利用的物质有                  （写两种）。

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