2023版高考化学一轮总复习第三章金属及其化合物专题讲座无机化学工艺流程题的解题策略

PAGEPAGE8专题讲座无机化学工艺流程题的解题策略工艺流程题就是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问，是无机框图题的创新，题目常常以现代工业生产为根底，将化学工艺流程进行简化，与化工生产本钱、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、别离等根本实验原理在化工生产中的实际应用，是近几年高考化学命题中的常考题型。一、题型结构1．化工流程线路示意图。(1)箭头：箭头进入的是投料(即反响物)、出去的是生成物(包括主产物和副产物)。(2)三线：物料进出线、操作流程线、循环操作线。2．涉及问题。(1)原料的预处理。(2)反响条件的控制(温度、压强、催化剂、原料配比、pH、溶剂等)。(3)反响原理(化学平衡、水解平衡、化学反响速率、反响热、电化学等)。(4)绿色化学问题(物质循环利用、废物的处理、原子利用率、能量充分利用等)。(5)化工平安(防爆、防污染、防中毒等)。二、解题思路及方法1．解题思路。审题eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(①阅读题目的背景材料,②提供的原料,③物料或操作流程,④提供的条件和图表,⑤化工流程图的类型,⑥重要的操作))析题eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(①弄清目的和原理,②弄清各步骤的目的,③如何运用条件,④问题突破口与隐含条件,⑤建立解题思路与方法))答题eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(①从目的和反响原理切入,②从原料和产品切入,③从生产要求和条件切入,④从产品分享提纯切入,⑤从绿色化学思想切入,⑥注意问题表达〔因果、比照、逆向〕))2．解题方法。(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，首先比照分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品)，从比照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根本原理和除杂、别离、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局部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。3．答题步骤。(1)从题干中获取有用信息，了解生产的产品。(2)整体浏览一下流程，根本区分出预处理、反响、提纯、别离等阶段。(3)分析流程中的每一步骤，并获取以下信息：①知道“四个什么〞。反响物是什么，发生了什么反响，该反响造成了什么后果，对制造产品有什么作用。②抓住“一个关键〞。一切反响或操作都是为获得产品而效劳。(4)从问题中获取信息，帮助解题。4．标准解答。(1)文字表达类的题目要标准解答，防止出现因表达不严谨导致的失分，如：①如何洗涤沉淀：往漏斗中参加蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流下后，重复以上操作2～3次。②如何证明沉淀完全：如向含SOeq\o\al(2－,4)的溶液中加BaCl2溶液，将沉淀静置，取上层清液，再加BaCl2溶液，假设无白色沉淀生成，说明沉淀完全。③如何从溶液中得到晶体：蒸发浓缩—冷却结晶—过滤—洗涤—枯燥。④在写某一步骤是为了除杂时，应该注明“是为了除去××杂质〞，只写“除杂〞等一类万能式的答复是不正确的。(2)认真审题，不要因审题不细致而失分，如：①填“化学方程式〞还是“离子方程式〞。②填“名称〞“符号〞还是“代号〞“序号〞等。③填“大于〞“>〞“增大〞还是“变大〞等。④填“化学式〞“分子式〞“结构式〞“结构简式〞“最简式〞还是“电子式〞等。⑤书写化学方程式时要注意配平、注明反响条件以及“→〞“=〞“〞“↑〞“↓〞等。三、答题的必备知识1．对原料进行预处理的常用方法及其作用。(1)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，加快反响速率。(2)水浸——与水接触反响或溶解。(3)酸浸——与酸接触反响或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去。(4)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。(5)煅烧——改变结构，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。2．常用的控制反响条件的方法。(1)调节溶液的pH。常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点：①能与H＋反响，使溶液pH增大。②不引入新杂质。例如：假设要除去Cu2＋中混有的Fe3＋，可参加CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH，不可参加NaOH溶液、氨水等。(2)控制温度。根据需要升温或降温，改变反响速率或使平衡向需要的方向移动。(3)控制压强。改变速率，影响平衡。(4)使用正催化剂。加快反响速率，缩短到达平衡需要的时间。(5)趁热过滤。防止某些物质降温时析出。(6)冰水洗涤。洗去晶体外表的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。3．明确常用的提纯方法。(1)水溶法：除去可溶性杂质。(2)酸溶法：除去碱性杂质。(3)碱溶法：除去酸性杂质。(4)氧化剂或复原剂法：除去复原性或氧化性杂质。(5)加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。(6)调节溶液的pH法：如除去酸性含铜溶液中的Fe3＋等。4．明确常用的别离方法。(1)过滤：别离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法。(2)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别离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。(3)蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。(4)冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。(5)蒸馏或分馏：别离沸点不同且互溶的液体混合物，如别离乙醇和甘油。(6)冷却法：利用气体易液化的特点别离气体，如合成氨工业采用冷却法别离氨气与氮气、氢气。5．物质别离、提纯的原那么。(1)不增：不引入新的杂质。(2)不减：不减少被提纯物。(3)易别离：被提纯物与杂质容易别离。(4)易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成状态。6．物质别离、提纯考前须知。(1)除杂试剂需过量。(2)过量试剂需除去。(3)除去多种杂质时要考虑参加试剂的顺序。(4)选择最正确除杂途径。【例1】(2022·全国Ⅰ卷)硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如下图：答复以下问题：(1)写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反响的化学方程式___________。为提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度外，还可采取的措施有____________________(写出两条)。(2)利用________的磁性，可将其从“浸渣〞中别离。“浸渣〞中还剩余的物质是___________________________________________(化学式)。(3)“净化除杂〞需先加H2O2溶液，作用是________________________________________________________________________。然后再调节溶液的pH约为5，目的是__________________________________________________________________________。(4)“粗硼酸〞中的主要杂质是________(填名称)。(5)以硼酸为原料可制得硼氢化钠(NaBH4)，它是有机合成中的重要复原剂，其电子式为____________________________________。(6)单质硼可用于生成具有优良抗冲击性能的硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程________________________________________________________________。解析：B和Al是同主族元素，参考Al的性质推断B及其化合物的性质。可通过搅拌矿粉、升高温度提高浸出率。Fe3O4有磁性，SiO2与硫酸不反响存留于浸渣中，而氧化钙和硫酸反响的产物硫酸钙没有除去；加H2O2溶液使二价铁转化为三价铁，然后调节pH使三价铁和铝离子形成氢氧化物除去，根据最后过滤后得到含镁盐母液推断；根据元素成键规律可知硼氢化钠电子式，根据题给信息和氧化复原反响规律可知2H3BO3＋3Mg=3MgO＋2B＋3H2O。答案：(1)Mg2B2O5·H2O＋2H2SO4eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())2MgSO4＋2H3BO3搅拌矿粉、升高温度(2)Fe3O4SiO2和CaSO4(3)氧化溶液中的Fe2＋除去溶液中的Al3＋和Fe3＋(4)(七水)硫酸镁(6)2H3BO3＋3Mg=3MgO＋2B＋3H2O【例2】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响为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(局部条件未给出)。答复以下问题：(1)LiCoO2中，Co元素的化合价为________。(2)写出“正极碱浸〞中发生反响的离子方程式___________________________________________________________________。(3)“酸浸〞一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化复原反响的化学方程式________________________；可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是_________________________________________________________________________________。(4)写出“沉钴〞过程中发生反响的化学方程式___________________________________________________________________。(5)充放电过程中发生LiCoO2与Li1－xCoO2之间的转化，写出放电时电池反响方程式____________________________________________________________________________________________。(6)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，可回收的金属化合物有______________(填化学式)。解析：(1)在LiCoO2中，由于Li的化合价为＋1，O的化合价为－2，根据化合价为零的规那么，可知Co的化合价为＋3。(2)在“正极碱浸〞的条件下，正极材料中的铝箔和NaOH溶液发生反响：2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑。(3)在酸性条件下H2O2既有氧化性又有复原性，在酸浸过程中有H2O2的分解反响：2H2O2eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())2H2O＋O2↑；另外H2O2具有复原性，＋3的Co可以将H2O2氧化，反响为：2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O，用盐酸代替硫酸和H2O2，在反响过程中盐酸被氧化，会有氯气产生，污染环境。(4)在CoSO4溶液中参加NH4HCO3，然后过滤得到CoCO3，说明沉钴过程中生成碳酸钴沉淀，根据原子守恒可得反响为CoSO4＋2NH4HCO3=CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑。(5)充放电过程中，同一个电极的反响类型相反，在充电时发生反响：6C＋xLi－＋xe－=LixC6，碳元素化合价降低属于复原反响；那么放电时LixC6是反响物，生成C，发生氧化反响，而Li1－xCoO2与LiCoO2相比，Li1－xCoO2中钴的价态较高，可知Li1－xCoO2为反响物，电极反响为：Li1－xCoO2＋LixC6=LiCoO2＋6C。(6)考查了原电池原理。在锂离子电池中Li做负极，在放电过程中失电子变成Li＋从负极脱出，进入溶液经过电解质溶液移向正极。根据流程图可知在整个回收工艺中，回收到的金属化合物有Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4。答案：(1)＋3(2)2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑(3)2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O、2H2O2eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())2H2O＋O2↑Cl－被氧化生成Cl2污染环境(4)CoSO4＋2NH4HCO3=CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑(5)Li1－xCoO2＋LixC6=LiCoO2＋6C(6)Li＋从负极脱出，经电解液向正极移动并进入正极材料中Al(OH)3、CoCO3、Li2SO41．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；高锰酸钾的复原产物是MnO2。答复以下问题：(1)反响②中除掉的杂质离子是________，发生反响的离子方程式为____________________________________________________________________________________________________________；在加高锰酸钾溶液前，假设pH较低，对除杂的影响是________________________________________________________________。(2)反响③的反响类型为____________，过滤得到的滤渣中，除了过量的锌外还有________。(3)反响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)反响④中产物的成分可能是ZnCO3·xZn(OH)2。取枯燥后的滤饼11.2g，煅烧后可得到产品8.1g。那么x等于________。解析：从分析整个流程图入手，明确每步发生的反响，从而解决相关问题。(1)在反响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；假设开始溶液的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，参加锌后可将Ni置换出来，故滤渣中还含有金属镍。(3)反响④生成的沉淀为ZnCO3，同时生成Na2SO4，假设沉淀未洗涤干净，洗涤液中应含有SOeq\o\al(2－,4)和Na＋，故只要对洗涤液中是否含有SOeq\o\al(2－,4)进行检验即可。(4)煅烧过程中ZnCO3、Zn(OH)2均发生分解反响生成ZnO，根据关系式ZnCO3·xZn(OH)2～(x＋1)ZnO，可得eq\f(125＋99x,81〔x＋1〕)＝eq\f(11.2g,8.1g)，故x＝1。答案：(1)Fe2＋和Mn2＋MnOeq\o\al(－,4)＋3Fe2＋＋7H2O=3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋、2MnOeq\o\al(－,4)＋3Mn2＋＋2H2O=5MnO2↓＋4H＋铁离子和锰离子不能生成沉淀，从而无法除去铁和锰杂质(2)置换反响镍(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，假设无白色沉淀生成，那么说明沉淀已经洗涤干净(4)12．(2022·安阳模拟)“低碳〞在工业生产中意义重大，充分利用原材料，不排放或减少排放“三废〞，不同工厂联合生产等都是很好的“低碳〞生产方式。下面是几家工厂利用废气、废液、废渣联合生产化肥硫酸铵的工艺。请答复以下问题：(1)操作②为________________。(2)工业合成氨的化学方程式为__________________________。(3)沉淀池中生成硫酸铵的化学方程式为__________________________________________________________________________。(4)在实验室中检验氨气的方法是______________________________________________________________________________。(5)副产品的化学式为______________。该联合生产工艺中可以循环使用的物质是________。解析：(1)操作②是过滤，得到溶液和沉淀。(2)合成氨反响为N2＋3H2eq\o(,\s\up15(高温、高压),\s\do20(催化剂))2NH3。(3)沉淀池中反响物为CaSO4、CO2、NH3、H2O，发生的反响为CaSO4＋CO2＋2NH3＋H2O=CaCO3↓＋(NH4)2SO4。(4)实验室检验氨气用玻璃棒蘸取浓盐酸，有白烟生成，或用湿润的红色石蕊试纸检验，假设试纸变蓝，那么说明含有NH3。(5)反响生成的沉淀为CaCO3，煅烧得到CaO，副产物为CaO，CO2可循环使用。答案：(1)过滤(2)N2＋3H2eq\o(,\s\up15(高温、高压),\s\do20(催化剂))2NH3(3)CaSO4＋CO2＋2NH3＋H2O=CaCO3↓＋(NH4)2SO4(4)用湿润的红色石蕊试纸检验，假设试纸变蓝，那么说明含有NH3(或用玻璃棒蘸取浓盐酸检验，假设产生白烟，那么含有NH3)(其他合理答案也可)(5)CaOCO2(假设有NH3，也可)3．实验室利用硫酸厂烧渣(主要成分为铁的氧化物及少量FeS、SiO2等)制备聚铁(碱式硫酸铁的聚合物)和绿矾(FeSO4·7H2O)，主要工艺流程如下。(1)将过程②产生的气体通入以下溶液中，溶液会褪色的是______