1、核心素养微专题核心素养微专题 化学工艺流程试题的解题策略化学工艺流程试题的解题策略 1.1.原料预处理的常用方法及其作用原料预处理的常用方法及其作用 (1)研磨:减小固体颗粒度,增大物质间接触面积,加快反应速率,提高浸出率。 (2)水浸或酸浸:与水接触反应或溶解;与酸接触反应或溶解,得可溶性金属离子 溶液,不溶物过滤除去。 (3)浸出:固体加水(酸)溶解得到溶液(离子)。 (4)灼烧:除去可燃性杂质或使原料初步转化。 (5)煅烧:改变结构,使一些物质能溶解或高温下氧化、分解。 2.2.制备过程中应注意的反应条件制备过程中应注意的反应条件 (1)溶液的 pH: 控制反应的发生,增强物质的氧化性或
2、还原性,或改变水解程度。 常用于形成或抑制某些金属离子的氢氧化物沉淀。 (2)温度: 根据需要选择适宜温度,改变反应速率或使平衡向需要的方向移动,减少副反应 的发生,确保一定的反应速率,控制溶解度便于提纯。 (3)浓度: 根据需要选择适宜浓度,控制一定的反应速率,使平衡移动利于目标产物的生 成,减小对后续操作产生的影响。 过量,能保证反应的完全发生或提高其他物质的转化率,但对后续操作也会产 生影响。 (4)趁热过滤:防止某物质降温时会大量析出。 (5)冰水洗涤:洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体损耗。 3 3. .无机化工流程中的分离方法无机化工流程中的分离方法 (1)洗涤(冰水、热水):洗去
3、晶体表面的杂质离子; (2)过滤(热滤或抽滤):分离难溶物和易溶物; (3)萃取和分液:利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质; (4)蒸发结晶:提取溶解度随温度的变化不大的溶质; (5)冷却结晶:提取溶解度随温度的变化较大的溶质、 易水解的溶质或结晶水合物, 如 KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO45H2O、FeSO47H2O 等; (6)蒸馏或分馏:分离沸点不同且互溶的液体混合物; (7)冷却法:利用气体易液化的特点分离气体。 4 4. .化工流程氧化还原反应方程式的解答措施化工流程氧化还原反应方程式的解答措施 (1)写出题目中已经告知的反应物和生成物,并判断其中元素的
4、化合价是否变化; (2)按照化合价变化规律补充并配平化学反应方程式。 5.5.解决本类题目的三步骤解决本类题目的三步骤 (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,从以下几个方面了解流程: 反应物是什么; 发生了什么反应; 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。 【典例】 (2019全国卷)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、 医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含 Mg2B2O5H2O、SiO2及少量 Fe2O3、A
5、l2O3)为 原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下: 回答下列问题: (1)在 95 “溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为 _。 (2)“滤渣 1”的主要成分有_。为检验“过滤 1”后的滤液中是否含有 Fe 3+离子,可选用的化学试剂是_。 (3)根据 H3BO3的解离反应:H3BO3+H2OH +B(OH ,Ka=5.8110 -10,可判断 H 3BO3是 _酸;在“过滤 2”前,将溶液 pH 调节至 3.5,目的是 _ 。 (4)在“沉镁”中生成 Mg(OH)2MgCO3沉淀的离子方程式为 _ , 母液经加热后可返回_工序循环使用。 由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方
6、 法是_ 。 【审题流程】 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。 【解析】(1)在 95 “溶浸”硼镁矿粉,产生的气体为 NH3,其在“吸收”中发生 的 反 应 主 要 是 氨 气 与 碳 酸 氢 铵 的 反 应 , 故 反 应 的 化 学 方 程 式 为 NH4HCO3+NH3(NH4)2CO3。 (2)用硫酸铵溶液溶浸过程中主要反应的物质为 Mg2B2O5 H2O,故溶浸后产生滤渣 1 的主要成分是 SiO2、Fe2O3、Al2O3,检验 Fe 3+可选用的化学试剂是 KSCN。 (3)根据
7、 H3BO3的解离反应:H3BO3+H2OH +B(OH 可知,H3BO3是一元酸,根据其 Ka 值可以判断是弱酸,故 H3BO3是一元弱酸;根据流程图可知“过滤 2”主要得到的 是 H3BO3,所以将溶液 pH 调节至 3.5,由于 H3BO3是一元弱酸,故主要目的是调节溶 液至酸性,促进 H3BO3析出。 (4)“沉镁”过程主要是镁离子与碳酸铵发生的反应,故反应的离子方程式为 2Mg 2+3C +2H2OMg(OH)2MgCO3+2HC或 2Mg 2+2C +H2OMg(OH)2 MgCO3+CO2;由于在最后过程中铵根离子和硫酸根离子没有参与反应,所以在 母液中主要含有上述两种离子,所以
8、加热后对应的碳酸铵、 二氧化碳等挥发,溶液 中最终剩余的是硫酸铵,所以可以返回“溶浸”环节中继续使用;碱式碳酸镁高温 煅烧之后会发生分解最终变成氧化镁。 答案:(1)NH4HCO3+NH3(NH4)2CO3 (2)SiO2、Fe2O3、Al2O3 KSCN (3)一元弱 转化为 H3BO3,促进析出 (4)2Mg 2+3C +2H2OMg(OH)2MgCO3+2HC (或 2Mg 2+2C +H2OMg(OH)2MgCO3+CO2) 溶浸 高温焙烧 1.( (制备型化工流程制备型化工流程) )二氧化锰在生活和化学实验中有广泛应用。 工业以锰结核矿 为原料,用硫酸淋洗后使用不同的方法可制备纯净的
9、 MnO2,其制备过程如图所示: (1)步骤中,试剂甲必须具有的性质是_(填序号)。 A.碱性 B.稳定性 C.氧化性 D.还原性 (2)用惰性材料作电极,电解硫酸锰溶液制二氧化锰,写出阳极反应式: _ 。 步骤中,以 KClO3为氧化剂,当生成 0.050 mol MnO2时,消耗 0.10 molL -1 的 NaClO3溶液 200 mL,该反应的离子方程式为_ 。 (3)工业上可以用实验室制氯气的残余物质溶液吸收氯气获得 Mn2O3,该化学反应 的离子方程式为_ 。 (4)二氧化锰是实验室制取氧气的催化剂。下列是某同学设计实验探究双氧水分 解实验方案; 实验 20.0 mL 双氧水 溶
10、液浓度 粉状 MnO2 温度 待测 数据 5% 2.0 g 20 5% 1.0 g 20 10% 1.0 g 20 w 2.0 g 30 实验和的结论是_ 。 利用实验和是探究温度对化学反应速率的影响,=_。 本实验待测 数据是_。 【解析】(1)锰结核矿与还原剂反应生成+2 价锰离子,试剂甲必须具有还原性。 (2)电解硫酸锰溶液时,阳极发生氧化反应,反应式为 Mn 2+-2e-+2H 2OMnO2 +4H +。 生成 0.050 mol 二氧化锰时,失去电子的物质的量:0.050 mol2=0.100 mol; 设还原产物中氯元素化合价为+x,n(NaClO3)=0.2 L0.1 molL
11、-1=0.02 mol。由 电子守恒知,0.02 mol(5-x)=0.100 mol,x=0,氯酸钾被还原后产物为氯气,离子 方程式为 2Cl+5Mn 2+4H 2O5MnO2+Cl2+8H +。 (3)实验室制氯气的残余物质含 Mn 2+,吸收氯气获得 Mn 2O3,该化学反应的离子方程式为 2Mn 2+Cl 2+3H2OMn2O3 +6H +2Cl-。(4) 实验和中双氧水溶液浓度不同,反应物浓度越大,反应速率 越快。实验和探究温度对化学反应速率的影响,则 w=5%,对于产生气体实 验,测定收集一定体积气体所需要的时间更简便。 答案:(1)D (2)Mn 2+-2e-+2H 2OMnO2
12、+4H + 2Cl+5Mn 2+4H 2O5MnO2+Cl2+8H + (3)2Mn 2+Cl 2+3H2OMn2O3+6H +2Cl- (4)其他条件相同,反应物浓度越大,反应速率越快 5% 收集等体积氧气所需要的时间 2.( (提纯型化工流程提纯型化工流程) )工业上设计将VOSO4中的K2SO4、 SiO2杂质除去并回收得到V2O5 的流程如下,请回答下列问题: (1)步骤所得废渣的成分是_(写化学式),操作的名称_。 (2)步骤、的变化过程可简化为(下式 R 表示 VO 2+,HA 表示有机萃取剂): R2(SO4)n(水层)+2nHA(有机层)2RAn(有机层)+nH2SO4(水层)
13、,中萃取时必须加 入适量碱,其原因是_ 。 中 X 试剂为_。 (3)的离子方程式为 _ 。 (4)25 时,取样进行实验分析,得到钒沉淀率和溶液 pH 之间的关系如表: pH 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 钒沉淀率% 98.0 98.8 98.8 96.4 93.1 结合上表,在实际生产中,中加入氨水,调节溶液的最佳 pH 为_;若钒沉 淀率为 93.1%时不产生 Fe(OH)3沉淀,则溶液中 c(Fe 3+)_。(已知:25 时,KspFe(OH)3=2.610 -39) (5)该工艺流程中,可以循环利用的物质有_和_。 【解析】(1)将含 K2SO4、SiO2杂质的 VOSO4
14、溶于水,SiO2不溶于水,步骤是过滤, 将 SiO2与溶液分离。(2)中萃取时必须加入适量碱,有利于中和硫酸,促使平衡 正向移动;为反萃取,使上述平衡向逆方向移动,X试剂为H2SO4。 (3)在含有 VO 2+、 S的溶液中加入氧化剂氯酸钾,可以将 VO 2+氧化为 V ,步骤中加氨 水,V与氨水反应生成 NH4VO3的离子方程式为 NH3H2O+VNH4VO3+OH -。 (4)根据 25 时,钒沉淀率和溶液 pH 之间的关系知,pH 为 1.7、1.8 时,钒沉淀率 最 高 , 调 节 溶 液 的 最 佳pH为1.7 1.8最 好 ; 若 钒 沉 淀 率 为 93.1%,pH=2.0,c(
15、OH -)=1 10 -12 molL-1,此时没有 Fe(OH) 3沉淀,则溶液中的 c(Fe 3+)K spFe(OH)3c 3(OH-)= 2.610 -39(110-12)3=2.610-3 molL-1。(5)根据流程示意图可知:该工艺流 程中可以循环利用的物质有氨气(或氨水)和有机萃取剂。 答案:(1)SiO2 过滤 (2)加入碱中和硫酸,促使平衡正向移动(或提高钒的萃取率) H2SO4 (3)NH3H2O+VNH4VO3+OH - (4)1.71.8(或 1.7、1.8 其中一个) 2.610 -3molL-1 (5)氨气(或氨水) 有机萃取剂 3.( (综合型化工流程综合型化工
16、流程) )以黄铁矿为原料制硫酸会产生大量的废渣,合理利用废渣可 以减少环境污染,变废为宝。工业上利用废渣(含 Fe 2+、Fe3+的硫酸盐及少量 CaO 和 MgO)制备高档颜料铁红(Fe2O3)和回收(NH4)2SO4,具体生产流程如下: 注:铵黄铁矾的化学式为(NH4)2Fe6(SO4)4(OH)12。 (1)在废渣溶解操作时,应选用_溶解(填字母)。 A.氨水 B.氢氧化钠溶液 C.盐酸 D.硫酸 (2)物质 A 是一种氧化剂,工业上最好选_(供选择使用的有空气、Cl2、 MnO2),其理由是_ 。氧化过程中发生反应的 离子方程式为_ 。 (3)根据如图有关数据,你认为工业上氧化操作时应
17、控制的条件(从温度、pH 和氧 化时间三方面说明)是_ 。 (4)铵黄铁矾中可能混有的杂质有 Fe(OH)3、_。铵黄铁矾与氨水反应的化 学方程式为 _ 。 【解析】(1)该流程的目的是制备高档颜料铁红(Fe2O3)和回收(NH4)2SO4,不能引入 杂质离子,不能选用盐酸,而氨水和 NaOH 溶液能沉淀 Fe 3+和 Fe2+,也不能选用。 (2)空气中的氧气在酸性条件下可将 Fe 2+氧化为 Fe3+,空气易得,成本低,不产生污 染,不引入杂质,氧化过程离子方程式为 4Fe 2+O 2+4H + 4Fe 3+2H 2O。(3)由图知, 控制温度在 80 、pH 为 1.5、氧化时间为 4
18、h,Fe 2+的氧化率较高。(4)废渣溶解 经氧化后溶液中存在 Ca 2+、Mg2+、Fe3+,加氨水后,可能生成 Mg(OH) 2沉淀、Fe(OH)3 沉淀,另外 Ca(OH)2和 CaSO4的溶解度较小,也可能析出。由流程图知,铵黄铁矾与 氨水反应得(NH4)2SO4和 Fe(OH)3。 答案:(1)D (2) 空 气 原 料 易 得 , 成 本 低 , 不 产 生 污 染 , 不 引 入 杂 质 4Fe 2+O 2+4H + 4Fe 3+2H 2O (3)溶液温度控制在 80 ,pH 控制在 1.5,氧化时间为 4 h 左右 (4)Ca(OH)2、Mg(OH)2、CaSO4 (NH4)2
19、Fe6(SO4)4(OH)12+6NH3H2O 4(NH4)2SO4+6Fe(OH)3 【加固训练】 以某菱锰矿(含 MnCO3、 SiO2、FeCO3和少量 Al2O3等)为原料通过以下方法可获 得碳酸锰粗产品。 已知 Ksp(MnCO3)=2.210 -11,K spMn(OH)2=1.910 -13,K spAl(OH)3=1.310 -33。 (1)滤渣 1 中,含铁元素的物质主要是_(填化学式,下同);加 NaOH 调节溶 液的 pH 约为 5,如果 pH 过大,可能导致滤渣 1 中_含量减少。 (2)滤液 2 中,+1 价阳离子除了 H +外还有_(填离子符号)。 (3)取“沉锰”
20、前溶液 a mL 于锥形瓶中,加入少量 AgNO3溶液(作催化剂)和过量 的 1.5%(NH4)2S2O8溶液,加热,Mn 2+被氧化为 Mn ,反应一段时间后再煮沸 5 min 除去过量的(NH4)2S2O8,冷却至室温。选用适宜的指示剂,用 b molL -1 的 (NH4)2Fe(SO4)2标准溶液滴定至终点,消耗(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液 V mL。 Mn 2+与(NH 4)2S2O8反应的还原产物为_。 “沉锰”前溶液中 c(Mn 2+)=_molL-1。(列出表达式) (4)其他条件不变,“沉锰”过程中锰元素回收率与 NH4HCO3初始浓度(c0)、反应 时间的关系如图所
21、示。 NH4HCO3初始浓度越大,锰元素回收率越_ (填“高”或“低”),简述原因 _ 。 若溶液中 c(Mn 2+)=1.0 molL-1,加入等体积 1.8 molL-1 NH 4HCO3溶液进行反 应,计算 2040 min 内 v(Mn 2+)=_。 【解析】(1)根据工艺流程图分析,菱锰矿酸浸后,浸液中所含金属阳离子有 Mn 2+、 Fe 2+、Al3+;加入 MnO 2,Fe 2+被氧化为 Fe3+;加入 NaOH 调节 pH,过滤后得到的滤渣 1 中含铁元素的物质主要为 Fe(OH)3。如果 pH 过大,则滤渣中 Al(OH)3、SiO2会开始 溶解。(2)调 pH 时加入 Na
22、OH、沉锰时加入 NH4HCO3,故滤液 2 中,+1 价阳离子除了 H +外还有 Na+、N 。(3)Mn 2+与(NH 4)2S2O8反应,Mn 2+被氧化为 Mn ,则 S2被 还原为 S。根据滴定原理,由原子守恒及得失电子守恒,可得关系式 Mn 2+ Mn5(NH4)2Fe(SO4)2,则 n(Mn 2+)= n(NH4)2Fe(SO4)2=b mol L -1V10-3 L =bV10 -3 mol, 故 c(Mn 2+)= =molL -1。(4)根据题图,NH 4HCO3初始浓度越大,锰元 素回收率越高。加入等体积 1.8 molL -1 NH 4HCO3溶液,则混合后 c(Mn 2+)=0.50 molL -1,c(NH 4HCO3)=0.90 molL -1,2040 min 内 Mn 的回收率由 20%变为 50%, 回收率增大 30%,故 v(Mn 2+)= =7.510 -3 molL-1min-1。 答案:(1)Fe(OH)3 Al(OH)3、SiO2 (2)Na +、N (3)S或“H2SO4” 、 “Na2SO4” 、 “(NH4)2SO4” (4)高 c(NH4HCO3)越大,c(C)越大,使平衡 MnCO3(s)C(aq)+Mn 2+(aq) 向逆反应方向移动,析出的 MnCO3越多 7.510 -3molL-1min-1
