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无机化工流程题复习策略与解题方法指导


专题讲座六

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无机化工流程题复习策略与解题 方法指导

1.无机化工流程题的特点 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。 这类题常呈现的形式:流程图

、表格、图像

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这类题常围绕以下几个知识点进行设问: (1)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 (2)氧化还原反应的判断、化学方程式或离子方程式的书写; (3)利用控制 pH 分离除杂; (4)化学反应的能量变化; (5)实验基本操作:除杂、分离、检验、洗涤、干燥等; (6)流程中的物质转化和循环,资源的回收和利用;

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(7)环境保护与绿色化学评价。

2.工业生产流程主线 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

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3.解答无机化工流程试题的程序 基本步骤: 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,从几个方面了解流程: A、反应物是什么 B、发生了什么反应 C、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。④从问题中获取信 息,帮助解题。

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解题思路: 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 4.熟悉工业流程常见的操作与名词 工业流程题目在流程上一般分为 3 个过程: 原料处理 → 分离提纯 → 获得产品

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(1)原料处理阶段的常见考点与常见名词 ①加快反应速率 ②溶解:通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等 水浸:与水接触反应或溶解 浸出:固体加水(酸)溶解得到离子 浸出率:固体溶解后,离子在溶液中的含量的多少(更多 转化) 酸浸:在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液,不 溶物通过过滤除去的溶解过程 ③灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些物质能溶解, 并使一些杂质高温下氧化、分解 ④控制反应条件的方法

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(2)分离提纯阶段的常见考点 ①调 pH 值除杂 a.控制溶液的酸碱性使其某些金属离子形成氢氧化物沉淀 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 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Mn(OH)2 开始沉淀 2.7 7.6 8.3 沉淀完全 3.7 9.6 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。

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b.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。 ②试剂除杂 ③加热:加快反应速率或促进平衡向某个方向移动 如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物,则 要注意对温度的控制。如:侯德榜制碱中的 NaHCO3;还 有如 H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等 物质。 ④降温:防止某物质在高温时会溶解(或分解)、为使化学平 衡向着题目要求的方向移动 ⑤萃取
+ + +

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(3)获得产品阶段的常见考点: ①洗涤(冰水、 热水)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。 ②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。 ③蒸发浓缩、冷却结晶:如除去 KNO3 中的少量 NaCl。 ④蒸发结晶、趁热过滤:如除去 NaCl 中的少量 KNO3。 ⑤重结晶 (4)其他常见考点 ①化学方程式 ②实验仪器 ③计算 ④信息

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5.注重答案的文字叙述规范 (1)洗涤沉淀: 往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀, 待水自然 流下后,重复以上操作 2~3 次。 (2)从溶液中得到晶体: 蒸发浓缩-冷却结晶-过滤-洗涤 -干燥。 (3)在写某一步骤是为了除杂时,应该注明“是为了除去 XX 杂质”,只写“除杂”等一类万金油式的回答是不给 分的。 (4)看清楚是写化学反应方程式还是离子方程式,注意 配平。

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6.热点题型探究 热点 1 碱金属及其矿物的开发利用
+ + +

【例 1】 碳酸钠是造纸、玻璃、纺织、制革等行业的重要原 料。工业碳酸钠(纯度约 98%)中含有 Ca2 、Mg2 、Fe3 、
2 Cl-和 SO4-等杂质,提纯工艺流程如下:

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已知碳酸钠的溶解度(S)随温度变化的曲线如下图所示: 回答下列问题:

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(1)滤渣的主要成分为_______________________________。 (2)“趁热过滤”的原因是___________________________。 (3)若在实验室进行“趁热过滤”, 可采取的措施是_____(写 出一种)。 (4)若“母液”循环使用, 可能出现的问题及其原因是_____。 (5)已知:Na2CO3· 2O (s)===Na2CO3(s)+10H2O(g) 10H ΔH1=532.36 kJ· mol ΔH2=473.63 kJ· mol
-1

Na2CO3· 2O(s)===Na2CO3· 2O(s)+9H2O(g) 10H H
-1

写出 Na2CO3· 2O 脱水反应的热化学方程式____________。 H

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解析

从题目中可知,该题中的实验目的是从工业碳酸钠中提纯

出碳酸钠,工业碳酸钠中含有的杂质有 Mg2+、Fe3+、Ca2+、Cl- 和 SO2-等,所以该流程的目的就是把这些杂质除去并得到纯净 4 的碳酸钠固体。流程图中加水的目的是使可溶物质溶于水,少量 的 Ca2+与 CO2-生成沉淀 CaCO3。加入过量的 NaOH 溶液,很显 3 然是将 Mg2+、Fe3+转化成 Mg(OH)2、Fe(OH)3 沉淀,再通过过
2 滤的方法除去。但这一步骤对 Cl-和 SO4-是没什么影响的,所以

流程图中出现了一个蒸发浓缩结晶和趁热过滤的操作,这肯定是 为了使一个随温度升高溶解度变化不大或减小的物质析出来,通 过读图可得出 Na2CO3· 2O 符合这一条件,这样可以通过趁热过 H 滤除去 Cl-、 4-和一些沉淀不完全的离子。 SO2 由于 Na2CO3· 2O 10H 溶解度随温度的升高变化非常大,如果降温,一定会析出来而影 响主要产物,所以要趁热过滤。

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答案

(1)Mg(OH)2、Fe(OH)3、CaCO3

(2)使析出的晶体为 Na2CO3· 2O,防止因温度过低而析出 H Na2CO3· 2O 晶体,令后续的加热脱水耗时长 10H (3)用已预热的布氏漏斗趁热抽滤 (4)溶解时有大量沉淀生成,使 Na2CO3 损耗且产物 Na2CO3 中混有杂质;原因:“母液”中含有的离子有 Ca2+、Na+、
2 Cl-、SO4-、OH-、CO2-,当多次循环后,使得离子浓度不 3

断增大,溶解时会生成 CaSO4、Ca(OH)2、CaCO3 等沉淀 (5)Na2CO3· 2O(s)===Na2CO3(s)+H2O(g) H ΔH=58.73 kJ· -1 mol

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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,从中产生将原料转化为产 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解答了。

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迁移应用 1 锂被誉为“金属味精”, LiCoO2 为正极材 以 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:

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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 开始沉淀 pH 完全沉淀 pH 温度/℃ Li2CO3 的 溶解度/g Fe(OH)3 Al(OH)3 2.7 3.7 10 20 3.7 4.7 50 Mg(OH)2 9.6 11 75 100 0.728

②Li2CO3 在不同温度下的溶解度如下表: 0

1.539 1.406 1.329 1.181 0.866

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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)反应Ⅳ生成Li2CO3沉淀,写出在实验室中得到Li2CO3沉 淀的操作名称__________,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__________________________________。

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解析 (1)将硅酸盐改为氧化物形式的方法为依次将各元素写成 氧化物形式,中间用“· ”连接,同时要注意氧化物先后顺序。
(2)由(1)改写可知,β?锂辉矿在加入过量浓硫酸后,只有 SiO2 不 溶,同时 Fe2+被氧化为 Fe3+,并生成 CaSO4 沉淀,所以溶液中含 有 Fe3+、Al3+、Mg2+、Li+等离子,依据实验目的可知必须除去 杂质离子,故在反应Ⅱ中加入碳酸钙的作用为:除去反应Ⅰ中过 + + 量的 H2SO4;控制 pH,使 Fe3 、Al3 完全沉淀。 (3)利用题干信息知反应Ⅲ要除去 Mg2 , 但在加入沉淀剂 Ca(OH)2 时会引入大量 Ca2+,故还需加入 Na2CO3 除去 Ca2+,即沉淀 A 为 Mg(OH)2 沉淀与 CaCO3 沉淀的混合物。 (4)实验室里分离固液混合物的操作是过滤,由题中给出 Li2CO3 的溶解度与温度的关系,可知洗涤 Li2CO3 沉淀要使用热水。


(5)由有氧气产生可逆推知可能的原因: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。

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答案

(1)Li2O· 2O3· Al 4SiO2
+ +

(2)除去反应Ⅰ中过量的 H2SO4;控制 pH,使 Fe3 、Al3 完全沉 淀
2 (3)Mg2 +2OH ===Mg(OH)2↓、Ca2 +CO3 ===CaCO3↓
+ - + -

(4)过滤 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)

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热点 2

镁、铝及其矿物的开发利用

【例 2】 高纯氧化铝可用于制高压钠灯的陶瓷管。实验室 制取高纯氧化铝的流程如下:

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(1)“除杂”操作是加入适量过氧化氢,用氨水调节溶液的 pH 约为 8.0,以除去硫酸铵溶液中的少量 Fe2+。检验 Fe2+ 是否除尽的实验操作是______________________________。 (2)通常条件下 Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10 溶液中 [Fe3+]约为______________。 (3)配制硫酸铝溶液时,需用硫酸酸化,酸化的目的是 ______________。 (4)“结晶”操作中, 母液经蒸发浓缩至溶液表面刚出现薄层 的结晶为止,冷却结晶,得到铵明矾(含结晶水)。母液不能 蒸干的原因是______________________________________。
-38

mol4·L-4,除杂后

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(5)“分离”操作名称是______(填字母代号)。 A.蒸馏 B.分液 C.过滤 (6)测定铵明矾组成的方法是: a.称取 0.453 0 g 铵明矾样品,高温灼烧,得 Al2O3 固体 0.102 0 g; b.称取 0.453 0 g 铵明矾样品,用适量蒸馏水溶解,再 加入稍过量的 BaCl2 溶液, 经陈化、 过滤、 灰化, BaSO4 得 0.465 9 g。 c.称取 0.453 0 g 铵明矾样品,加入足量的 NaOH 溶液, 加热,将产生的气体依次通过碱石灰和浓硫酸,浓硫酸 增重 0.017 0 g。 则铵明矾的化学式为________________。

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解析


(2)根据(1)中除杂后溶液的 pH 约为 8,即[OH ]≈10
+ - + -



-6

mol· 1,再根据 Ksp[Fe(OH)3]=[Fe3 ]×[OH ]3≈[Fe3 ]×(10 6)3 L =4.0×10-38 mol4· -4,解得[Fe3+]≈4.0×10-20 mol· -1。(6)由 a: L L 0.102 0 g -3 0.102 0 g Al2O3 的物质的量为 mol,则 -1=1×10 102 g· mol 0.453 0 g 铵明矾中含有的 Al3 为 1×10 3 mol;由 b:0.453 0 g 铵 0.465 9 g - -3 明矾中含有的 SO2 为 mol;由 c:0.453 0 g -1≈2×10 4 233 g· mol 0.017 0 g + -3 铵明矾中含有的 NH4 为 mol。综合上述可知 -1=1×10 17 g· mol
2 n(NH+)∶n(Al3+)∶n(SO4-)=1∶1∶2,再根据质量守恒:0.453 0 g 4
+ -

=1×10-3 mol×27 g· -1+1×10-3 mol×18 g· -1+2×10-3 mol mol mol×96 g· -1+m(水),解得 m(水)=0.216 0 g,则结晶水的物 mol

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0.216 0 g 质的量为 - = 0.012 mol , 即 铵 明 矾 的 化 学 式 为 18 g· mol 1 NH4Al(SO4)2· 2O。 12H

答案

(1)取样, 加适量 H2O2 溶液, 振荡, 滴加 KSCN 溶液,
-20 -1

若无明显现象,说明 Fe2+已除尽 (2)4.0×10 mol· L

(3)抑制 Al3 水解 (4)减少可溶性杂质的析出及 Al3 的水解 (5)C (6)NH4Al(SO4)2· 2O 12H




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迁移应用 2 镁及其合金是一种用途很广的金属材料,目前世 界上 60%的镁是从海水中提取的。某学校课外兴趣小组从海 水晒盐后的盐卤(主要含 Na+、Mg2+、Cl-、Br-等)中模拟工 业生产来提取镁,主要过程如下:

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回答下列问题: (1)工业上从盐卤中获取 Mg(OH)2 用石灰乳而不用 NaOH 溶液 的原因是__________________________________________。 (2)从过程①得到的 Mg(OH)2 沉淀中混有少量的 Ca(OH)2,除 去少量 Ca(OH)2 的方法是先将沉淀加入到盛有________溶液 的烧杯中,充分搅拌后经________、________(填操作方法)可 得纯净的 Mg(OH)2。

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(3)下图是该兴趣小组设计进行过程③的实验装置图:

其中装置 A 的作用是_________________________________。 (4)写出过程④中发生反应的化学方程式_________________。

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答案

(1)石灰乳原料丰富,成本低 过滤 洗涤

(2) MgCl2

(3)制备干燥的 HCl 气体 通电 (4) MgCl2(熔融)=====Mg +Cl2↑

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热点 3

铁、铜及其矿物的开发利用 (2011· 江苏,16)以硫铁矿(主要成分为 FeS2)为原料

【例 3】

制备氯化铁晶体(FeCl3· 2O)的工艺流程如下: 6H

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回答下列问题: (1)在一定条件下,SO2 转化为 SO3 的反应为 2SO2(g)+O2(g) ?? 2SO3(g),该反应的平衡常数表达式为 K=____;过 量的 SO2 与 NaOH 溶液反应的化学方程式为______________。 (2)酸溶及后续过程中均需保持盐酸过量,其目的是________、 ___________________________________________________。 (3)通氯气氧化时,发生的主要反应的离子方程式为________; 该过程产生的尾气可用碱溶液吸收,尾气中污染空气的气体 为______________________。(写化学式)。

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解析 (1)根据化学反应方程式可写出平衡常数表达式为 K= [SO3]2 ,过量二氧化硫与氢氧化钠溶液反应生成亚硫酸氢 [O2]· 2]2 [SO 钠,反应的化学方程式为 SO2+NaOH===NaHSO3。

(2)加入过量盐酸可保证铁元素浸出到溶液中,且 Fe3 容易水 解,加酸可抑制其水解。 + (3)通氯气的目的是氧化 Fe2 ,尾气中的有害气体是剩余的氯 气以及盐酸挥发出的氯化氢气体。 [SO3]2 答案 (1) [O ]· ]2 2 [SO2



SO2+NaOH===NaHSO3
(2)提高铁元素的浸出率 抑制 Fe3+水解

(3)Cl2+2Fe2+===2Cl-+2Fe3+

Cl2、HCl

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迁移应用 3 工业上以废铜为原料经一系列化学反应可生产氯 化亚铜(CuCl),其工艺流程如下图所示:

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试根据上图转化回答下列问题: (1)工业生产 Cl2 时,尾气常用石灰乳吸收,而不用烧碱溶液吸 收的原因是_________________________________________。 (2)还原过程中的产物为 Na[CuCl2],试写出反应的化学方程式 ____________________________________。 制备中当氯化完成 后必须经还原过程再制得 CuCl,为什么不用一步法制得 CuCl?(已知 Cu2 +Cu+2Cl ===2CuCl↓)_____________。 (3)还原过程中加入少量盐酸的作用是___________________, 加入 NaCl 且过量的原因是___________________________。 (4)合成结束后所得产品用酒精淋洗的目的是_____________。 (5)实验室中在 CuCl2 热溶液中通入 SO2 气体也可制备白色的 CuCl 沉淀,试写出该反应的离子方程式__________________
+ -

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解析

(1)主要从原料经济性的角度来回答。

(2)产物 Na[CuCl2]中 Cu 的化合价为+1,因此还原过程发生 的是归中反应。 (3)主要考查盐类水解和化学平衡知识。 (4)产品用水和酒精洗的效果是不同的,酒精沸点低,易挥发, 易晾干。 (5)反应中 CuCl2 被还原为 CuCl,则 SO2 的氧化产物必为 H2SO4。

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答案

(1)石灰乳来源丰富,成本低,且反应结束后可得副产

品漂白粉 (2)CuCl2+2NaCl+Cu===2Na[CuCl2] CuCl 沉淀沉积在 Cu 表面阻碍反应的进行 (3)防止 Cu2 水解 Na[CuCl2],提高产率 (4)使 CuCl 尽快干燥,防止被空气氧化 △ + - (5)2Cu +2Cl +SO2+2H2O=====2CuCl↓+4H +SO2 4
2+
- +

增大 NaCl 的浓度有利于生成更多的


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