复习题国家获奖教案

专题讲座(一)

化学工艺流程试题的解题策略

[题型分析]

1．试题结构：工艺流程题的结构分题引、题干和题设三部分。题引一般是简单介绍该工艺生产的原材料和生产的目的、产品(包括副产品)有时还提供相关表格、图像等参考数据或信息；题干部分主要用框图形式将原料到产品的主要生产工艺流程表示出来；题设主要是根据生产过程中涉及的化学知识设置成一系列问题，构成一道完整的化学试题。

一个完整的物质制备化工生产流程一般具有下列特点

原料―→对原料的预处理―→核心化学反应―→产品的提纯、分离

―→目标产物

2．解题策略

(1)审题干：准确分析题干中的信息，如生产目的、原料成分、产品成分、新物质的性质及相关反应等，进而分析每个生产环节所发生的反应和操作。

(2)审设问：结合题中的问题，回到流程图中找答案。

[题型示例]

(2017·郑州模拟)已知草酸镍晶体(NiC2O4·2H2O)难溶于水，工业上从废镍催化剂(主要成分为Ni，含有一定量的Al2O3、FeO、SiO2、CaO等)制备草酸镍晶体的流程如图所示：

已知：①相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见表中数据：

1

金属离子

开始沉淀的pH 完全沉淀的pH ②Ksp(CaF2)＝1.46×10－10；

Fe3＋

Fe2＋

Al3＋

Ni2＋

1.1 3.2 5.8 8.8 3.0 5.0 6.8 9.5 ③当某物质浓度小于1.0×10－5 mol·L－1时，视为完全沉淀。

请回答下列问题：

【导学号：95812103】

(1)请写出一种能提高“酸浸”速率的措施：________________。

(2)试剂a是一种绿色氧化剂，写出“氧化”时反应的离子方程式：_____。

(3)“调pH”时pH的调控范围为________，试用化学反应原理的相关知识解释滤渣Ⅱ的生成：__________________________________。

(4)写出“沉镍”时发生反应的离子方程式：______________________，

证明Ni2＋已经沉淀完全的实验步骤及现象是_______________________，

当Ca2＋沉淀完全时，溶液中c(F－)>____________mol·L－1(写出计算式即可)。

(5)操作a的内容是__________________________________。

[解析]

(1)把废镍催化剂粉碎，或适当加热、适当增大酸的浓度或提高搅拌速率等都可以提高酸浸速率。

(2)试剂a是过氧化氢，反应的离子方程式为2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O。

(3)因为铁、铝是以氢氧化铁和氢氧化铝的形式沉淀下来的，并且不能使镍离子形成沉淀，故pH范围为5.0≤pH<6.8；加入Ni(OH)2消耗溶液中的氢离子，促使铁离子、铝离子的水解平衡向右移动，使铁离子、铝离子转化为相应的沉淀而除去。

(4)加入草酸铵后生成的固体是NiC2O4·2H2O，因此有水参加反应，故反应的－离子方程式为Ni2＋＋C2O22H2O↓。若镍离子没有完全沉淀，4＋2H2O===NiC2O4·则继续加入草酸铵，仍会有沉淀生成，所以证明Ni2＋已经沉淀完全的操作及实验现象是：取适量上层清液于试管中，继续滴加(NH4)2C2O4溶液，无沉淀生成。钙离子沉淀完全的标志是溶液中钙离子的物质的量浓度小于1.0×10－5 mol·L－1，结

2

合CaF2的Ksp可求出c(F)>－1.46×10－10－L1。

－5

mol·1.0×10(5)从溶液中分离出晶体需要进行过滤、洗涤、干燥。

[答案]

(1)把废镍催化剂粉碎(或适当加热、适当增大酸的浓度或提高搅拌速率等) (2)2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O (3)5.0≤pH<6.8

加入Ni(OH)2消耗溶液中的H＋，促使铁离子、铝离子的水解平衡右移，使铁离子、铝离子转化为相应的沉淀

2－(4)Ni2＋＋C2O4＋2H2O===NiC2O4·2H2O↓

取适量上层清液于试管中，继续滴加(NH4)2C2O4溶液，无沉淀生成

(5)过滤、洗涤、干燥

1.46×10－10

1.0×10－5

(2017·合肥模拟)高纯活性氧化锌可用于光催化、光电极、彩色显影等领域。以工业级氧化锌(含Fe2＋、Mn2＋、Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等)为原料，用硫酸浸出法生产高纯活性氧化锌的工艺流程如下：

【导学号：95812104】

已知Ksp[Fe(OH)3]＝4.0×10－38。

回答下列问题：

(1)浸出时，为了提高浸出效率可采取的措施有(写两种)：_____________。

(2)氧化时，加入KMnO4溶液是为了除去浸出液中的Fe2＋和Mn2＋(溶液中Mn全部转化为MnO2)，请配平下列除去Fe2＋的离子方程式：

＋2＋

MnO－4＋

Fe＋

________===

MnO2↓＋

Fe(OH)3↓＋

H

(3)加入锌粉的目的是_____________________________________。

(4)已知H2SO4浸出液中，c(Fe2＋)＝5.04 mg·L－1、c(Mn2＋)＝1.65 mg·L－1。

①加入KMnO4溶液反应一段时间后，溶液中c(Fe3＋)＝0.56 mg·L－1，若溶液pH＝3，则此时Fe3＋________(填“能”或“不能”)生成沉淀。

②若要除尽1 m3上述浸出液中的Fe2＋和Mn2＋，需加入________ g KMnO4。

[解析]

(1)为了提高浸出效率，可以适当增大硫酸浓度、搅拌、将固体粉碎、

3

提高浸出温度等。(2)锰元素由＋7价降低到＋4价，而铁元素由＋2价升高到＋3价，根据得失电子守恒、元素守恒和电荷守恒配平方程式。(3)加入锌粉的目的是消耗溶液中的H＋，调节溶液，pH，促进溶液中的Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等形成沉0.56×10－3 g·L－1淀而除去。(4)①c(Fe)＝＝1.0×10－5 mol·L－1，此时溶液中c(OH－156 g·mol3＋－)＝1.0×10－11mol·L－1，c(Fe3＋)·c3(OH－)＝1.0×10－38

5.04×10－3 g·L－11.65×10－3 g·L－1×1 000 L＋×2×1 000 L56 g·mol－155 g·mol－1－1×158 g·mol＝37.9 g。

[答案]

(1)将工业级氧化锌粉碎、搅拌(其他合理答案也可) (2)1

3

7

H2O

1

3

5 (3)调节溶液pH，除去溶液中的Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等

(4)①不能

②7.9

无机化工流程题考查的热点

1．原料的各项预处理操作或目的

(1)溶解：通常用酸进行溶解，如硫酸、盐酸等。

(2)灼烧、焙烧、煅烧：改变物质结构，使一些物质转化为目标物质，或使一些杂质在高温下氧化或分解。

(3)控制反应条件：因为化学反应是有条件的，往往需要在一定的浓度、温度、压强、催化剂和酸碱性等条件下进行，所以生产中必须控制反应条件，其中温度和酸度的控制是条件控制的两大主旋律。可采用水浴加热、油浴加热等控制温度，防止温度过高时反应物或生成物发生分解导致产率降低。

(4)调节溶液的pH：①控制溶液的酸碱性使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀。如含Mn2＋的溶液中同时含有Fe2＋，可先加氧化剂将Fe2＋氧化为Fe3＋，再调节溶液的酸度为3.7≤pH＜8.3，即可使Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀。②调节溶液的pH时，所选的物质应满足两点：一是能与H＋或OH－反应，二是不引入新的

4

杂质。

(5)加热：加快化学反应速率或促使化学平衡向某个方向移动。

(6)降温：防止某物质在高温时溶解(或分解)或使化学平衡向着题目要求的方向移动。

2．产品分离和提纯的方法或操作

(1)蒸发：蒸发掉一部分溶剂。有时要考虑反应时的气体氛围以抑制某物质发生水解。

(2)蒸发浓缩、冷却结晶：适用于杂质的溶解度随温度变化不大的物质的分离、提纯。

(3)蒸发结晶、趁热过滤：适用于杂质的溶解度随温度变化较大的物质的分离、提纯，可减少杂质晶体的析出。

(4)晶体的干燥：常见的干燥方法为自然晾干、滤纸吸干、干燥器中烘干。

(5)沉淀的洗涤：由于沉淀生成时，表面会吸附一定量的离子(尤其是沉淀成分离子)。因此过滤后要进行沉淀的洗涤。洗涤方法是向过滤器中慢慢注入适量蒸馏水，至刚好没过沉淀，然后静置，让其自然流下，重复以上操作2～3次，直至洗涤干净。为了减少沉淀(或晶体)的溶解，可用冰水或有机溶剂洗涤。

(6)沉淀是否洗涤干净的检验：主要检验洗涤液中是否还含有沉淀表面吸附的离子。一般的检验方法：取少量最后一次的洗涤液，置于一洁净的试管中，滴加少量的检验试剂，若没有特征现象出现，说明沉淀洗涤干净。

(7)从溶液中得到晶体的一般过程：蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤→干燥。

3．步骤中发生反应的化学方程式(或离子方程式)的书写

书写化学方程式(或离子方程式)时，首先要明确反应物、生成物及反应条件等，然后根据各种守恒关系配平化学方程式(或离子方程式)。

[对点训练]

1．(2016·全国丙卷节选)过氧化钙微溶于水，溶于酸，可作分析试剂、医用防腐剂、消毒剂。以下是一种制备过氧化钙的实验方法。回答下列问题：

过氧化钙的制备

5

稀盐酸、煮沸、过滤氨水和双氧水过滤CaCO3――→滤液――→

――→白色结晶

①冰浴②

(1)步骤①的具体操作为逐滴加入稀盐酸，至溶液中尚存有少量固体，此时溶液呈________性(填“酸”、“碱”或“中”)。将溶液煮沸，趁热过滤。将溶液煮沸的作用是________________。

(2)步骤②中反应的化学方程式为_________________________________，

该反应需要在冰浴下进行，原因是______________________________。

(3)将过滤得到的白色结晶依次使用蒸馏水、乙醇洗涤，使用乙醇洗涤的目的是_________________________________________________________________。

(4)制备过氧化钙的另一种方法是：将石灰石煅烧后，直接加入双氧水反应，过滤后可得到过氧化钙产品。该工艺方法的优点是_______________________，

产品的缺点是________。

[解析]

(1)步骤①中逐滴加入稀盐酸，至溶液中尚存有少量固体，该固体为CaCO3，溶液中含有CaCl2，由于溶解了生成的CO2，溶液呈弱酸性。将溶液煮沸，可排出溶解的CO2，防止与后续加入的氨水及生成的CaO2反应。(2)滤液中含有CaCl2，加入氨水和双氧水在冰浴条件下反应，经过滤得到白色晶体(CaO2)，结合元素守恒推知步骤②中反应还生成NH4Cl和H2O，化学方程式为CaCl2＋2NH3·H2O＋H2O2＋6H2O===CaO2·8H2O↓＋2NH4Cl或CaCl2＋2NH3·H2O＋H2O2===CaO2↓＋2NH4Cl＋2H2O。H2O2不稳定，受热易分解生成H2O和O2，故该反应在冰浴条件下进行，其目的是防止H2O2受热分解。(3)过氧化钙微溶于水，能溶于酸，白色结晶(CaO2)可依次使用蒸馏水、乙醇洗涤，使用乙醇洗涤的目的是去除结晶表面水分。(4)将石灰石煅烧后，直接加入双氧水反应，过滤后可得到过氧化钙产品。与第一种方法相比，其优点是工艺简单、操作方便；产品的缺点是纯度较低。

[答案]

(1)酸

除去溶液中的CO2

(2)CaCl2＋2NH3·H2O＋H2O2＋6H2O===CaO2·8H2O↓＋2NH4Cl或CaCl2＋2NH3·H2O＋H2O2===CaO2↓＋2NH4Cl＋2H2O

温度过高时双氧水易分解

(3)去除结晶表面水分

(4)工艺简单、操作方便

纯度较低

6

2．(2013·全国卷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

_____________________________________________________________；

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。取干燥后的滤饼11.2 g，煅烧后可得到产品8.1 g，则x等于________。

[解析]

从分析整个流程图入手，明确每步发生的反应，从而解决相关问题。

(1)在反应②中，通过调节溶液的pH，高锰酸钾能将溶液中的Fe2＋氧化为Fe3＋，将Mn2＋氧化为MnO2而除去；若开始溶液的pH过低，Fe2＋、Mn2＋将很难生成沉淀而除去。

(2)第一次过滤后的滤液中含有的阳离子有Zn2＋、Ni2＋、H＋等，加入锌后可将Ni置换出来，故滤渣中还含有金属镍。

(3)反应④生成的沉淀为ZnCO3，同时生成Na2SO4，若沉淀未洗涤干净，洗－＋2－涤液中应含有SO24和Na，故只要对洗涤液中是否含有SO4进行检验即可。

(4)煅烧过程中ZnCO3、Zn(OH)2均发生分解反应生成ZnO，根据关系式ZnCO3·xZn(OH)2～(x＋1)ZnO，可得125＋99x11.2 g＝，故x＝1。

81x＋18.1 g2＋[答案]

(1)Fe2＋和Mn2＋

MnO－4＋3Fe＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋＋2＋5H＋，2MnO－4＋3Mn＋2H2O===5MnO2↓＋4H

铁离子和锰离子不能生成沉

7

淀，从而无法除去铁和锰杂质

(2)置换反应

镍

(3)取少量水洗液于试管中，滴入1～2滴稀硝酸，再滴入硝酸钡溶液，若无白色沉淀生成，则说明沉淀已经洗涤干净

(4)1 3．高锰酸钾在饮用水和工业污水处理领域的消费增长较快。实验室可用软锰矿(主要成分为MnO2)为原料制备高锰酸钾。其部分流程如图所示：

已知：①流程中所加软锰矿中含50 g MnO2；②生成墨绿色浸出液的反应为：KClO3＋3MnO2＋6KOH===3K2MnO4＋KCl＋3H2O。

回答下列问题：

(1)实验中采用铁坩埚而不是瓷坩埚的原因是_____________________。

－－(2)通入CO2，可使MnO24发生反应，生成MnO4及MnO2，写出该反应的离子方程式：______________________________________；

若通入CO2太多，则在加热浓缩时，会有________晶体和KMnO4晶体一起析出。

(3)在加热、浓缩、烘干的过程中温度不宜过高，其原因是____________；

趁热过滤的目的是______________；加热时用玻璃棒不断搅拌溶液的目的是

______________________________________________________________；

洗涤KMnO4晶体用冷水洗涤较好的原因是______________________。

(4)计算12.25 g KClO3固体经过上述转化，最多可制得KMnO4的质量为___(结果保留一位小数)。

[解析]

(1)瓷坩埚的主要成分中含有SiO2，KOH熔融时会与SiO2反应，因－－2－此选择铁坩埚。(2)通入CO2时，一部分MnO2另一部分MnO44被氧化成MnO4，

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被还原成MnO2；若通入CO2太多，则有KHCO3生成。(3)在加热、浓缩、烘干的过程中温度不宜过高，原因是高温下KMnO4容易分解；且低温时KMnO4在水中的溶解度小，高温时在水中的溶解度大，趁热过滤是为了防止KMnO4结晶析出；加热时用玻璃棒不断搅拌溶液的目的是使溶液受热均匀利于溶剂蒸发；洗涤KMnO4晶体用冷水是为了减少KMnO4的溶解。(4)根据关系式KClO3～－－3K2MnO4,3MnO24～2MnO4，可得：KClO3～2KMnO4，则最多可制得KMnO4的12.25 g质量为mol－1＝31.6 g。

－1×2×158 g·122.5 g·mol[答案]

(1)在高温下，瓷坩埚可以和KOH发生化学反应(或SiO2＋高温2－2－2KOH=====K2SiO3＋H2O)

(2)3MnO4＋2CO2===2MnO－4＋MnO2↓＋2CO3

KHCO3

(3)高温会导致KMnO4分解

防止KMnO4结晶析出

受热均匀利于蒸发溶剂

减少KMnO4的溶解

(4)31.6 g

工艺流程试题的解题技巧

(1)首尾分析法：对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题，首先对比分析流程图中第一种物质(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。

(2)分段分析法：对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工业流程题，用分段分析法更容易找到解题的切入点。

(3)交叉分析法：有些化工生产选用多组原材料，先合成一种或几种中间产品，再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品，这种题适合用交叉分析法。就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理划分成几条生产流水线，然后上下交叉分析。

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