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解答化工生产流程试题需要关注的几个热点问题例析
近年来各地高考都特别青睐于化工生产流程试题，该类试题现在已经成为新课改后高考的热点题型，该类试题创设问题情境真实，密切联系实际，试题不仅侧重考查化学知识点在实际中的应用，而且还特别注重绿色化学理念，试题更加具有化学味，体现新课程理念。下面我们针对该类试题中考生易出错的几大热点问题作一分析探究。
1.化工生产流程中的分离、提纯、检验操作
化工生产流程中其目的是制备相关的化工产品，在生成过程中必然会涉及物质的分离、提纯、产品的检测等，该类知识点我们重点抓住如下问题：
1.1常用的分离、提纯化学方法
方法
原理
杂质成分
沉淀法
将杂质离子转化为沉淀
Cl－、SO、CO及能形成弱碱的阳离子
气化法
将杂质离子转化为气体
CO、HCO、SO、HSO、S2－、NH
杂转纯法
将杂质转化为需要提纯的物质
杂质中含不同价态的相同元素(用氧化剂或还原剂)、同一种酸的正盐与酸式盐(用酸、酸酐或碱)
氧化还原法
用氧化剂(还原剂)除去具有还原性(氧化性)的杂质
如用酸性KMnO4除去CO2中的SO2，用热的铜粉除去N2中的O2
热分解法
加热使不稳定的物质分解除去
如除去NaCl中的NH4Cl等
酸碱溶解法
利用物质与酸或碱溶液混合后的差异进行分离
如用过量的NaOH溶液可除去Fe2O3中的Al2O3
电解法
利用电解原理除去杂质
含杂质的金属作阳极、纯金属(M)作阴极，含M的盐溶液作电解质溶液
1.2常用的分离、提纯物理方法
蒸发，又是蒸发结晶，多用于含单一溶质的溶液中提取溶质。
结晶（也称降温结晶）是将溶液加热浓缩或蒸发至接近饱和（在液面中有一薄层晶体膜析出），然后冷却浓缩液，使溶液中含量最多、其溶解度随温度降低而减少较显著的溶质从溶液中析出，。由于杂质更多地溶在母液中，因而可以用此方法获得较纯的物质。若需要更纯的物质，可以采用重结晶的方法。
重结晶是将结晶出来的晶体溶在适当的溶剂里，再经过加热浓缩、冷却等步骤重新得到晶体的过程。重结晶常用于精制晶体。
采用结晶法从溶液中获得固体溶质的操作过程常描述为：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。
结晶法一般用于结晶水合物（如CuSO4·5H2O等）、对应易挥发性酸的可水解盐（如FeCl3溶液）、受热易分解的物质（如NaHCO3等）从溶液中析出。
1.3过滤注意事项
过滤是将不溶性固体和液体分离的方法。
沉淀洗涤：向过滤器中加入洗涤剂（蒸馏水或其他适当的溶剂）至没过沉淀，待洗涤剂流尽后，再加入，反复2～3次。
检验沉淀是否洗涤干净：取最后一次洗涤液，加入适当的试剂检验洗涤液中是否含有母液的离子，如未检出，则说明已洗涤干净。
减压过滤：也称吸滤或抽滤，是实验室常用的加快过滤速率的一种过滤方法，主要仪器有布氏漏斗、吸滤瓶和气泵。如趁热过滤需快速过滤，可避免过滤过程中杂质从溶液中析出；或避免制备物质从溶液中析出造成损失。
【例题1】（2013·山东理综）废旧硬质金刀具中含碳化钨（WC）、金属钴（Co）及少量杂质铁，利用电解法可回收WC和Co。工艺流程简图如下：

（1）电解时废旧刀具做阳极，不锈钢做阴极，HCl溶液为电解液。阴极主要的电极反应式为 。
（2）净化步骤所得滤饼的主要成分是 。回收的洗涤液代替水配制电解液，目的是回收利用其中的 。
（3）溶液I的主要成分是 。洗涤CoC2O4不充分对最终产品纯度并无明显影响，但焙烧时会造成环境污染，原因是 。
（4）将Co2O3还原成Co粉的化学反应方程式为 。
【解析】（1）电解时Fe、Co在阳极被氧化为氯化亚铁和氯化钴，阴极氢离子被还原。
（2）加入双氧水可以把亚铁离子氧化为三价铁离子，再通入氨气反应生成氢氧化铁沉淀和氯化铵；而氯化钴留在洗涤液中，回收洗涤液目的是回收Co。
（3）加入草酸铵后氯化钴转化为CoC2O4沉淀，所以溶液I中主要剩余氯化铵，CoC2O4沉淀表面的氯化铵溶液焙烧时会分解产生NH3和HCl污染大气。
【答案】（1）2H+ + 2e- → H2
（2）Fe(OH)3 ； Co2+（或Co）
（3）NH4Cl；焙烧时NH4Cl分解产生NH3和HCl
（4）Co2O3 + 3H2 = 2Co + 3H2O
2.化工生产流程中常见的化学反应
化工生产中常常会涉及到一些化学反应方程式的书写问题，特别是一些复杂的氧化还原反应的方程式，下面针对该问题作一强调。
2.1陌生氧化还原反应方程式的书写方法
一般步骤为：首先根据反应物元素价态及性质确定反应产物（氧化产物和还原产物）；列出方程式并配平，配平时往往需要在反应物或生成物中加上“水、酸、碱”等来实现原子守恒，此时须特别注意溶液酸碱性对产物的影响。
如：在碘和淀粉形成的蓝色溶液中滴加亚硫酸钠溶液，发现蓝色逐渐消失，写出该反应的化学方程式。先分析各反应物的性质并确定生成物：I2表现氧化性、在反应中应被还原为I-；亚硫酸钠表现还原性、在反应中应被氧化为SO42-。然后列出方程式并配平，由于含碘的溶液不可能为碱性溶液，故反应物中“加水”，I2+SO32-+H2O＝SO42-+2H++2I-。
2.2“元素守恒法”的运用思路
在化学反应前后元素的种类没有改变，各元素的原子总数也无增减。抓住反应前后某特征元素质量守恒去进行分析、求解，就是一种应用广泛且行之有效的解法。
【例1】（2013·高考新课标卷）锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂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。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源（部分条件未给出）。

回答下列问题：
（1）写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式
（2）“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
，可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是
（3）写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式
（4）充放电过程中，发生LiCoO2和Li1-xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式
。
（5）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）。
【精析】（1）由碱浸后经一系列处理可得到Al(OH)3及正极材料中含有铝箔知，碱浸时单质铝与NaOH溶液反应，由此可写出对应的离子方程式。（2）由流程图可知，钴元素最后变成+2价，故酸浸时发生的是LiCoO2氧化H2O2反应，即可写出反应方程式。另外还存在H2O2受热分解生成水与O2的反应。用盐酸代替硫酸与H2O2的混合液时，会得到有毒的氧化产物Cl2，造成环境污染。（3）由流程图知，加入NH4HCO3后硫酸钴转化为碳酸钴，HCO3-在转化为CoCO3的过程中，电离出的H+会与另一部分HCO3-作用生成CO2与水，NH4+、SO42-结合为(NH4)2SO4，由此可写出对应的化学方程式。（4）由充电时阴极（题目中锂离子电池的负极）的电极反应式知，放电时LixC6是反应物、Li+是生成物，锂的价态升高，故另一反应物中钴的价态降低，由此知反应物是Li1-xCoO2，即可写出相应的反应方程式。（5）放电时，负极上的锂失去电子变成Li+，进入溶液后再向正极移动并进入正极材料中，相当于在正极上富集了锂。由流程图知，能回收的金属化合物有三种。
【答案】（1）2Al+2OH-+6H2O＝2Al(OH)4-+3H2↑
（2）2LiCoO2+3H2SO4+H2O2Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O、2H2O22H2O+O2↑ 有氯气生成，污染较大
（3）CoSO4+2NH4HCO3＝CoCO3↓+(NH4)2SO4+H2O+CO2↑
（4）Li1-xCoO2+LixC6＝LiCoO2+6C （5）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。
3.化工生产中的基本原则及“绿色化学”理念
化工生产不同于纯粹的化学反应，还要关注学以致用，在分析化工生产流程问题时，还要特别关注绿色化学理念，具体如下：
4.1充分利用原料：化工生产中使原料尽量转化为产品是降低成本、提高产量、增加效益的关键，为此在各种化工生产中通常采用了“原料循环利用工艺”、“利用廉价原料提高产率”等方法。
4.2充分利用能源：很多化工生产是需要在加热条件下进行的，而加热的操作会增加能耗而使生产成本提高，此时，如果生产过程中存在放热反应的步骤，则可利用放出的热量对反应原料进行加工，这样就可以提高能量的利用效率。
4.3节省资源，提高原料转化率和利用率。主要方法有：
增大不同反应物的接触面积以及反应物与催化剂的接触面积，使反应物能够充分反应。如在硫酸工业沸腾炉中将黄铁矿粉碎后与空气反应；硝酸工业中氧化炉内将外催化剂铂铑合金制成薄丝网等。
增大易得价廉的原料使成本较高的原料充分利用。如在硫酸工业的接触室的反应中和硝酸工业的氧化炉中，增大空气的用量以提高SO2或NH3的转化率等。
原料的循环利用。如在合成氨工业，硝酸工业，接触法制硫酸等工艺流程中采用了循环操作，体现了绿色化学中节省资源的基本原理。
4.4保护环境：“绿色化学”是指工业生产的过程中没有有毒、有害的物质生成，而且生产过程中的原子利用率尽可能达到100%，这样就从源头上减少了“三废”的产生。因此，在设计生产原理和工艺时，应按照这种先进的理念来进行。
4.5注重尾气回收方法和处理装置以防止或减少环境污染。如氨氧化法制硝酸、接触法制硫酸等采用尾气处理或尾气吸收装置。
4.6设计新的化学反应条件，降低对人类健康和环境的危害，减少废弃物的产生和排放。如由乙炔制乙醛工业生产中使用非汞催化剂。
7.（2013·高考新课标卷）草酸(乙二酸)可作还原剂和沉淀剂，用于金属除锈、织物漂白和稀土生产。一种制备草酸(含2个结晶水)的工艺流程如下:

回答下列问题
(1) CO和NaOH在一定条件下合成甲酸钠、甲酸钠加热脱氢的化学反应方程式分别为 、 。
（2）该制备工艺中有两次过滤操作，过滤操作①的滤液是 ，滤渣是 ；过滤操作②的滤液是 和 ，滤渣是 ；
（3）工艺过程中③和④的目的是 。
（4）有人建议甲酸钠脱氢后直接用硫酸酸化制各草酸。该方案的缺点是产品不纯，其中含有的杂质主要是 。
(5)结晶水合草酸成品的纯度用高锰酸钾法测定。称量草酸成品0.250g溶于水，用0.0500 mol . L-1的酸性KMnO4溶液滴定，至浅粉红色不消褪，消耗KMnO4溶液15.00 mL, 反应的离子方程式为 ；列式计算该成品的纯度 。
【精析】问题（1）注重考查化学方程式的书写，根据守恒思想，可以得出答案；问题（2），注重考查物质的分离、提纯实验知识点，向草酸钠中加入氢氧化钙，生成沉淀物草酸钙和氢氧化钠，由此可以得出滤液和滤渣成分；草酸钙利用硫酸酸化后，生成硫酸钙和草酸，由此进一步可以推理出滤液和滤渣成分；问题（3）注重考查绿色化学理念，通过物质的循环利用，可以成分利用原料，降低生产成本。
【答案】（1）CO+NaOHHCOONa 2HCOONaNa2C2O4+H2↑
(2)NaOH溶液 CaC2O4 H2C2O4 溶液 H2SO4溶液 CaSO4
(3)分别循环利用氢氧化钠和硫酸（降低成本），减少污染
（4）硫酸钠

总之，涉及化工生产流程的试题其考查内容具有较大的综合性，其考查知识点不仅涉及化学反应原理相关内容，还常常与化学实验、化学计算等知识点相结合，从情感态度与价值观角度看，充分体现了高考大纲所要求的“了解化学与社会生活和科学技术的密切联系”、“关注与现代社会有关的化学问题，增强对自然和社会的责任感”等相关要点，这也充分体现了化学的实际应用价值。立足实践，注重学以致用是我们现在及近年来的高考试题鲜明的特点，我们可以预计，在以后的高考中，该类题型仍会是高考的主打题型，我们平时要注重强化训练。
跟踪训练
1.（2013·浙江高考）利用废旧镀锌铁皮可制备磁性Fe3O4胶体粒子及副产物ZnO。制备流程如下：

已知：Zn及其化合物的性质与Al及其化合物的性质相似。请回答下列问题：
（1）用NaOH溶液处理废旧镀锌铁皮的作用有 。
A．去除油污 B．溶解镀锌层 C．去除铁锈 D．钝化
（2）调节溶液A的pH可产生Zn（OH）2沉淀，为制得ZnO，后续操作步骤是 。
（3）由溶液B制得Fe3O4胶体粒子的过程中，须持续通入N2，其原因是 。
（4）Fe3O4胶体粒子能否用减压过滤法实现固液分离？ （填“能”或“不能”），理由是 。
（5）用重铬酸钾法（一种氧化还原滴定法）可测定产物Fe3O4中的二价铁含量。若需配制浓度为0.01000mol·L-1的K2Cr2O7标准溶液250mL，应准确称取K2Cr2O7 g（保留4位有效数字，已知M（K2Cr2O7）=294.0g·mol-1）。配制该标准溶液时，下列仪器不必要用到的有 。（用编号表示）
①电子天平 ②烧杯 ③量筒 ④玻璃棒 ⑤容量瓶 ⑥胶头滴管 ⑦移液管
（6）滴定操作中，如果滴定前装有K2Cr2O7标准溶液的滴定管尖嘴部分有气泡，而滴定结束后气泡消失，则滴定结果将 （填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
【精析】（1）废旧镀锌铁皮表面有油污和镀锌层，没有铁锈，也不会发生钝化。
（2）Zn（OH）2类似于氢氧化铝的性质，因此需进行抽滤、洗涤、灼烧后得到ZnO。
（3）N2气氛下，可防止Fe2+被氧化。
（4）胶体粒子太小，抽滤时溶液透过滤纸。
（5）0.7350 由于使用天平称量，就不需要使用量筒，配制过程也不需要移液管。
（6）由于气泡占据一定的体积，会导致计算数据偏大。
【答案】（1）A、B；（2）抽滤、洗涤、灼烧；（3）N2气氛下，防止Fe2+被氧化；（4）不能 胶体粒子太小，抽滤时溶液透过滤纸；（5）0.7350 ③⑦；（6）偏大
2.（2013·高考新课标卷Ⅱ）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:在本实验条件下，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 ；
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8.1 g. 则x等于 。
【精析】以工艺流程为形式考察化学知识，涉及反应原理、除杂方法、影响因素、反应类型、产物分析、洗涤干净的检验方法、化学计算等。
（1）除去的杂质离子是Fe2＋和Mn2＋；Fe2＋以Fe(OH)3的形式沉淀下来，Mn2＋以MnO2的形式沉淀下来；反应离子方程式为：
MnO4－＋3Fe2＋＋7H2O＝MnO2↓＋3Fe(OH)3↓＋5H＋;
3Mn2＋＋2MnO4－＋2H2O===5MnO2↓＋4H＋;
在加高锰酸钾溶液前，若pH较低，不会形成Fe(OH)3和MnO2沉淀。
（2）Zn＋Ni2＋===Zn2＋＋Ni是置换反应；还有Ni。
（3）洗涤主要是除去SO42－和CO32－离子。检验洗净应该检验SO42－离子。取最后一次洗涤液少量，滴入稀盐酸，加入氯化钡溶液，没有白色沉淀生成，证明洗涤干净。
（4）令ZnCO3为amol,Zn(OH)2为bmol
125a+99b=11.2; 81(a+b)=8.1 解之，a:b=1:x=1:1,x=1
[答案]（1）Fe2＋和Mn2＋；
MnO4－＋3Fe2＋＋7H2O==MnO2↓＋3Fe(OH)3↓＋5H＋;
3Mn2＋＋2MnO4－＋2H2O==5MnO2↓＋4H＋;
不会形成Fe(OH)3和MnO2沉淀。或无法除去Fe2＋和Mn2＋；
（2）置换反应；Ni
（3）取最后一次洗涤液少量，滴入稀盐酸，加入氯化钡溶液，没有白色沉淀生成，证明洗涤干净。
（4）1
3.粗CuO是将工业废铜、废电线及废铜合金高温焙烧而成的，杂质主要是铁的氧化物及泥沙。以粗CuO为原料制备CuSO4·5H2O的主要步骤如下图所示：

Fe3+、Fe2+、Cu2+转化为相应氢氧化物时，开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表：

Fe3+
Fe2+
Cu2+
氢氧化物开始沉淀时的pH
1.9
7.0
4.7
氢氧化物完全沉淀时的pH
3.2
9.0
6.7
（1）将粗CuO加入3mol·L-1H2SO4中，加热溶解后，需“趁热过滤”的目的是 。进行趁热过滤操作时可选用以下仪器 （填序号）。
a.漏斗 b.分液漏斗 c.布氏漏斗 d.长颈漏斗
（2）将滤液经过操作Ⅰ得到粗胆矾，再进一步精制提纯。加入3%H2O2之前需将热溶液冷却，其目的是 ，H2O2的作用是 。
（3）加入2 mol·L-1氨水后，溶液的pH应在 范围内。调节溶液的pH常选用稀酸或稀碱，而不用浓酸、浓碱，理由是 。
（4）经操作Ⅱ得到精制胆矾，其过程包括 、 、过滤、洗涤、干燥等步骤。
【答案】（1）防止胆矾结晶析出造成损失；c （2）防止H2O2分解；将Fe2+氧化为Fe3+，使之在Cu2+之前沉淀。（3）3.2～4.7；便于控制加入酸或碱量（4）蒸发浓缩；冷却结晶
4.(2013·合肥模拟)氢溴酸在医药和石化工业上有广泛用途。下图是模拟工业制备氢溴酸粗品并精制流程：

根据上述流程回答下列问题：
(1)混合①中发生反应的化学方程式为_______________________________
(2)混合①中使用冰水的目的是____________________________________
(3)操作Ⅱ和操作Ⅲ的名称分别是________、________。操作Ⅲ一般适用于分离________(选填编号)混合物。
a．固体和液体　b．固体和固体　c．互不相溶的液体 d．互溶的液体
(4)混合②中加入Na2SO3的目的是______________________________
(5)纯净的氢溴酸应为无色液体，但实际工业生产中制得的氢溴酸(工业氢溴酸)带有淡淡的黄色，于是甲乙丙同学设计了简单实验加以探究：甲同学假设工业氢溴酸呈淡黄色是因为含Fe3＋，则用于证明该假设所用的试剂为________，若假设成立，可观察到的现象为________。乙同学假设工业氢溴酸呈淡黄色是因为________，其用于证明该假设所用的试剂为________。
【精析】(1)SO2具有还原性，Br2具有氧化性，能发生反应SO2＋Br2＋2H2O===2HBr＋H2SO4。(2)降低体系温度，可以增大SO2气体在水中的溶解性，同时防止溴挥发。(3)操作Ⅱ是分离固体和溶液，采用过滤；操作Ⅲ是分离相互溶解的液体，采用蒸馏的方法。(4)Na2SO3具有还原性，可以将溴单质还原为溴离子，从而除去粗品中未反应完的溴。(5)Fe3＋、Br2的检验方法。【答案】(1)SO2＋Br2＋2H2O===2HBr＋H2SO4
(2)降低体系温度，防止溴挥发，使反应完全 (3)过滤、蒸馏、d
(4)除去粗品中未反应完的溴
(5)KSCN溶液　溶液变成红色　含有Br2　CCl4

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