专题19-化工流程(教案)-高三期末化学大串讲(解析版).doc

专题19 化工流程
无机化工流程题的特点：

规律：主线主产品、分支副产品、回头为循环。
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。
1. 流程的呈现主要有以物质转化为主线，以操作过程为主线，甚至有时候会以设备为主线。
2. 这类题常围绕以下几个知识点进行设问：
⑴　反应速率与平衡理论的运用
反应物颗粒大小：反应速率、原料的利用率等
温度：反应速率、物质的稳定性、物质的结晶等
⑵ 氧化还原反应的判断、化学方程式或离子方程式的书写；
⑶ 利用控制pH分离除杂；
⑷ 化学反应的能量变化；
⑸ 实验基本操作：除杂、分离、检验、洗涤、干燥等；
⑹ 流程中的物质转化和循环，资源的回收和利用；
⑺ 环境保护与绿色化学评价。
原料处理的方法和作用
对原料进行预处理的常用方法及其作用：
1. 粉碎、研磨：减小固体的颗粒度，增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率。
2. 水浸：与水接触反应或溶解。
3. 酸浸：通常用酸溶，如用硫酸、盐酸、浓硫酸等，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。近年来，在高考题出现了“浸出”操作。在化工生产题中，矿物原料“浸出”的任务是选择适当的溶剂，使矿物原料中的有用组分或有害杂质选择性地溶解，使其转入溶液中，达到有用组分与有害杂质或与脉石组分相分离的目的。
4. 浸出率：固体溶解后，离子在溶液中含量的多少(更多转化)。
5. 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，将有机碘转化为碘盐。
6. 灼烧、焙烧、煅烧：改变结构和组成，使一些物质能溶解；并使一些杂质在高温下氧化、分解，如煅烧高岭土和石灰石。
例1工业上可用软锰矿（主要成分是MnO2）和黄铁矿（主要成分是FeS2）为主要原料制备高性能磁性材料碳酸锰（MnCO3）。其工业流程如下：

回答下列问题：
（1）为了提高溶浸工序中原料的浸出率，除了可以搅拌、将矿石研磨粉碎以外，可以采取的措施有（写两条）________________。
（2）副产品A的化学式是________________。
（3）净化工序的目的是除去溶液中的Cu2＋、Ca2＋等杂质。若测得滤液中c(F－)＝0.01 mol·L－1，则滤液中残留的c(Ca2＋)＝________________〔已知：Ksp(CaF2)＝1.46×10－10〕。
（4）沉锰工序中，加入NH4HCO3后有无色无味的气体放出，同时有浅红色的沉淀生成，发生反应的离子方程式是________________；沉锰工序中判断沉淀已经洗涤干净的实验操作是________________。
（5）已知MnCO3难溶于水和乙醇，潮湿时易被空气氧化，100℃开始分解。工业上一般用少量C2H5OH洗涤的原因是________________。
（6）溶浸过程中发生的主要反应如下，请完成并配平该反应的离子方程式：_____________ FeS2＋_____________ MnO2＋_____________ ＝_____________ Fe3＋＋_____________ Mn2＋＋_____________ SO42－＋_____________ ，___________________
【答案】适当升高温度、适当提高稀硫酸的浓度 (NH4)2SO4 1.46×10-6mol•L-1 Mn2+＋2HCO3-＝MnCO3↓＋CO2↑＋H2O 取最后一次洗涤液，加入几滴BaCl2溶液，若无白色沉淀生成，则洗涤干净 防止MnCO3潮湿时被空气氧化、便于在温度低于100℃干燥 2FeS2＋15MnO2＋28H+＝2Fe3+＋15Mn2+＋4SO42—＋14H2O
【名师点睛】化学反应速率和化学平衡理论是重要的化学原理。影响化学反应速率的因素有浓度、温度、压强、催化剂等。对于固体来说，其浓度不变，所以要使反应速率加快，可通过将固体粉碎成细小的颗粒、搅拌等方法进行。外界条件对化学平衡移动的影响可通过勒夏特列原理进行分析，但是平衡移动的趋势是微弱的。要会根据反应方程式分析判断物质的转化率的大小，转化率大的反应速率不一定快，物质的转化率大小与反应快慢是不同的概念，要掌握其区别与联系。要会根据方程式中相应物质之间的关系进行有关物质的量的化学计算。本题将化学反应速率、化学平衡、电解原理、滴定方法的应用综合一起考查，反映了考生的综合应用知识分析、解决问题的能力。

验条件的控制和目的
一. 掌握核心化学反应
1. 元素及其化合物知识：化工生产将原料转变成产品的过程，也是物质经历相互转化的过程。理解物质之间的转化关系，就要用到元素及其化合物的相关知识。一般围绕铁、铜、铝、镁、氯、硫、磷、硅等元素的单质或化合物的工业制备来进行命题，需要掌握这些元素及其化合物的知识
2. 还要掌握有关化工生产的知识，熟悉的有纯碱工业、氨工业、硅单质的制备、氯碱工业、海水中提取镁、海水中提取溴等；
3. 化学反应原理：化工生产中把原料转变成产品的过程就是化学反应的过程，从化学反应原理的角度选择原料、控制条件和选择设备等，是化工生产的基本思路。化学反应原理的相关知识包括质量守恒定律、化学反应速率、化学平衡、电化学、化学热力学等，做到能综合运用这些知识分析化工生产中化学反应的情况。
① 调节溶液的pH值：使某些离子转变为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。
例如：已知下列物质开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表所示

物质
开始沉淀
沉淀完全
Fe(OH)3
2.7
3.7
Fe(OH)2
7.6
9.6
Mn(OH)2
8.3
9.8

若要除去Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，应该怎样做？
提示：先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调溶液的pH到3.7。
调节pH所需的物质一般应满足两点：
能与H＋反应，使溶液pH值增大；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值。
调节溶液的pH：“酸作用还可以除去氧化物（膜）；“碱作用”还可以除去油污、除去铝片氧化物、溶解铝、二氧化硅。
② 控制体系的温度
a．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，如冰水洗涤，以防止洗涤过程中的溶解损耗；增大气体反应物的溶解度，使其被充分吸收；
b．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；使平衡向需要的方向移动；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；
c．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。
二. 明确反应原理
注意每一步在什么条件下，发生了什么反应，生成了什么物质，这些物质分别到哪里去了。如转化成了沉淀还是气体或生成了其他物质。
例2硼、镁及其化合物在工农业生产中应用广泛。
已知：硼镁矿主要成分为Mg2B2O5•H2O，硼砂的化学式为Na2B4O7•10H2O。利用硼镁矿制取金属镁及粗硼的工艺流程为：

回答下列有关问题：
(1)硼砂中B的化合价为________________，溶于热水后，常用H2SO4调pH为2～3制取H3BO3，反应的离子方程式为____________________________。X为H3BO3晶体加热脱水的产物，其与Mg制取粗硼的化学方程式为_______________。
(2)MgCl2·7H2O需要在HCl氛围中加热，其目的是______________________。若用惰性电极电解MgCl2溶液，其总反应离子方程式为 __________________________。
(3)镁-H2O2酸性燃料电池的反应机理为Mg+H2O2+2H+═Mg2++2H2O，则正极反应式为___________ 。
(4)制得的粗硼在一定条件下生成BI3，BI3加热分解可以得到纯净的单质硼。现将 0.020g粗硼制成的BI3完全分解，生成的I2用0.30mol·L-1 Na2S2O3溶液滴定至终点，并选用指示剂，达到滴定终点的现象是_________________________________________。消耗Na2S2O3溶液18.00mL。该粗硼样品的纯度为 __________________。(提示：I2+2S2O32－=2I－+S4O62－)
【答案】+3 B4O72-+2H++5H2O＝4H3BO3 3Mg+B2O32B+3MgO 防止MgCl2水解生成Mg(OH)2 2H2O+Mg2++2Cl-Cl2↑＋H2↑+Mg(OH)2↓ H2O2+2H++2e-＝2H2O 当滴入最后一滴标准液时，溶液恰好由蓝色褪至无色，且半分钟不恢复原色 97.3%
【解析】 (1) 硼砂的化学式为Na2B4O7•10H2O，根据化合价法则，钠元素为+1价，氢元素为+1价，氧元素为-2价，所以硼砂中B的化合价为+3价；硼砂溶于水，在酸性条件下生成H3BO3，反应的离子方程式为：B4O72-+2H++5H2O＝4H3BO3；H3BO3晶体加热脱水的产物为B2O3，B2O3在通电条件下与镁发生置换反例3 A部分：由锆英砂(ZrO2·SiO2，还含少量Fe2O3、Al2O3、SiO2等杂质)制备ZrO2的流程如下：

已知：①ZrO2在强碱性溶液中以ZrO32-形式存在，在强酸性溶液中以ZrO2+形式存在。
②部分金属离子在实验条件下开始沉淀和完全沉淀的pH如下表。
Mn+
Fe3+
Al3+
ZrO2+
开始沉淀时pH
1.9
3.3
6.2
沉淀完全时pH
3.8
5.6
8.0

(1)操作I所需要的玻璃仪器为___________，操作I除了得到溶液a还可得到_________。
(2)加氨水至溶液a中调节pH的的范围是________________。
(3)操作II会得到滤液b和滤渣II，滤渣II分离过程如下：

氧化物B的化学式为__________。若试剂X为盐酸，缺点是___________。
(4)操作III除得到Zr(OH)4外还得到某种溶液，向该溶液中加入CaCO3粉末并加热，得到两种气体。该反应的离子方程式为_____________________________。
(5)加入氨水至溶液b发生的离子方程式为__________________________。
(6)为得到纯净的ZrO2，Zr(OH)4需要洗涤，检验Zr(OH)4是否洗涤干净的方法是______________。
B部分：钛精矿是从钛铁矿或钛磁铁矿中采选出来，主要成分为FeTiO3，是生产用途非常广泛的钛白粉的原料。以钛精矿石为原料制备金属钛的流程如下图所示(某些过滤过程已忽略)。已知强酸性溶液中，+4价的钛元素以TiO2+形式存在，金属钛不溶于稀非氧化性酸。回答下列问题：

(1)步骤②中加入铁屑的作用是__________________。
(2)晶体K俗称绿矾，晶体K的化学式为____________。
(3)试写出溶液C加热制备钛酸沉淀的化学方程式__________________________________。
(4)步骤⑥加入过量的活性炭，则发生的化学方程式为_______________，已知TiO2+2Cl2 TiCl4+O2为吸热反应，且该条件下反应也能够发生，为何制备TiCl4过程中还要加入活性炭，试解释原因_________________。
(5)气体F为氩气，F的作用是_____________________。
(6)溶液H是_________，作用为___________________________。
【答案】烧杯、漏斗、玻璃棒 H2SiO3 5.6~6.2 Al2O3 盐酸的量不易控制 2NH4++CaCO32NH3↑+Ca2++CO2↑+H2O ZrO2++2NH3·H2O+H2O=Zr(OH)4↓+2NH4+ 取最后一次洗涤液，加入硝酸酸化的AgNO3，未产生白色沉淀，则洗涤干净 防止Fe2+被氧化 FeSO4·7H2O TiOSO4+2H2OH2TiO3↓+H2SO4 TiO2+2Cl2+2CTiCl4+2CO 活性炭与O2反应并放热，促进反应正向移动利于制备TiCl4 做保护气 稀盐酸 溶解MgCl2和未反应的Mg，过滤后提纯金属钛
(3) C为TiOSO4溶液，加热后生成H2TiO3固体和H2SO4溶液，化学方程式：TiOSO4+2H2OH2TiO3↓+H2SO4；综上所述，本题答案是：TiOSO4+2H2OH2TiO3↓+H2SO4。
(4) 钛酸固体加热分解为TiO2，TiO2与氯气、活性炭反应生成四氯化钛，化学方程式为：TiO2+2Cl2+2CTiCl4+2CO；已知TiO2+2Cl2 TiCl4+O2为吸热反应，活性炭与O2反应并放热，有利于反应向右移动，提高了四氯化钛的产率；综上所述，本题答案是：TiO2+2Cl2+2CTiCl4+2CO；活性炭与O2反应并放热，促进反应正向移动利于制备TiCl4。
(5)气体F为氩气，性质稳定，做保护气；综上所述，本题答案是：做保护气。
(6) TiCl4与镁反应生成金属钛和氯化镁，金属钛不溶于稀非氧化性酸；所以H溶液可以选择稀盐酸，溶解MgCl2和未反应的Mg，过滤后提纯金属钛；综上所述，本题答案是：稀盐酸； 溶解MgCl2和未反应的Mg，过滤后提纯金属钛。
【名师点晴】无机工业流程题能够以真实的工业生产过程为背景，体现能力立意的命题为指导思想，能够综合考查学生各方面的基础知识及将已有知识灵活应用在生产实际中解决问题的能力，所以这类题成为近年来高考的必考题型。流程题的解题思路为：明确整个流程及每一部分的目的→仔细分析每步反应发生的条件以及得到的产物的物理或化学性质→结合基础理论与实际问题思考→注意答题的模式与要点。解决本类题目的基本方法和步骤为：（1）从题干中获取有用信息，了解生产的产品。（2）然后整体浏览一下流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段。（3）分析流程中的每一步骤，从以下几个方面了解流程：①反应物是什么；②发生了什么反应；③该反应造成了什么后果，对制造产品有什么作用。抓住一个关键点：一切反应或操作都是为获得产品而服务。

物质分离或提纯的方法
化工生产过程中分离提纯、除杂等环节，与高中化学基本实验的原理紧密联系，包括蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、烘干，或蒸馏、萃取、分液等基本实验操作及原理，并要熟悉所用到的相关仪器。
1. 蒸发、反应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。
⑴　蒸发浓缩、冷却结晶：如除去KNO3中的少量NaCl。
⑵　蒸发结晶、趁热过滤：如除去NaCl中的少量KNO3。
2. 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。
3. 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，且在后续步骤中容易除去)；b. 调节溶液的酸碱性。
4. 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。
例4 MnSO4·H2O在工业、农业等方面有广泛的应用。软锰矿-黄铁矿硫酸浸出法是工业上制取硫酸锰的一种方法。

（1）酸浸时主要反应为15MnO2+2FeS2+14H2SO4= 15MnSO4 + Fe2(SO4)3 +14H2O，反应中被氧化的元素是____。酸浸时，硫酸过量的目的是：①____；②____。
（2）加入CaCO3可以将滤液中的Fe3+转化为Fe(OH)3而除去，该反应的化学方程式为____。CaCO3用量过大，对MnSO4·H2O产量的影响是，____（填“升高”“降低”或“无影响”）。
（3）硫酸锰在不同温度下结晶可分别得到MnSO4·7H2O、MnSO4·5H2O和MnSO4·H2O。硫酸锰在不同温度下的溶解度和该温度范围内析出晶体的组成如下图所示。从过滤Ⅱ所得的滤液中获得较高纯度MnSO4·H2O的操作是：控制温度在80 ℃~90 ℃之间蒸发结晶，____，使固体MnSO4·H2O与溶液分离，____、真空干燥。

【答案】Fe、S（或铁、硫） 提高锰元素的浸出率 抑制Mn2+水解 Fe2(SO4)3++3H2O + 3CaCO3 = 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 3CO2↑ 降低 趁热过滤 用80℃~90℃的蒸馏水洗涤2~3次

可循环物质的判断和流程评价
一. 可循环物质的判断
1. 流程图中回头箭头的物质。
2. 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。
二. 对整个工艺流程从下列几个方面进行评价
1.体现绿色化学思想（使用无毒无害原料，采用原子利用率高的制备路线，原料的循环利用，副产物综合利用，节能，等）。
2. 高效节能方面（原料廉价，工艺简单，产品的纯度高，能耗低等）。
3. 生成物或副产物的污染。
例5从工业含锌废渣（主要成分为ZnO，还含有SiO2、Fe3+、Cu2+、Pb2+等杂质）制取ZnCO3∙2Zn(OH)2的一种工艺如下：

（1）浸取前，需将含锌废渣粉碎并加水制成悬浊液（化浆），目的是____。
（2）浸取时的温度控制在30 ℃，原因是____。浸取后，ZnO转化为[Zn(NH3)4]CO3溶液，滤渣的主要成分为____。
（3）除Cu2+、Pb2+时，也可加入(NH4)2S使其生成硫化物沉淀。已知Ksp(CuS)=6.3´10-36，Ksp(PbS)=8.0´10-28，要使溶液中Cu2+、Pb2+的浓度均小于1.0´10-5 mol·L-1，则沉淀时需控制S2-的浓度至少为_____mol·L-1。
（4）蒸氨时发生反应的化学方程式为____。
（5）本工艺中可循环利用的物质为____。
【答案】增大接触面积，加快浸取速率，提高锌元素的浸出率（答出任意一点即可） 温度太低，浸取反应速率慢；温度太高，NH4HCO3分解（NH3的溶解度减小） Fe(OH)3、SiO2 8.0´10-23 3[Zn(NH3)4]CO3 + 2H2O ZnCO3∙2Zn(OH)2 + 12NH3­+ 2CO2­ NH3（多写CO2不扣分）