(新课标)高考化学一轮总复习 大题突破(二)化学工艺流程讲义-人教版高三全册化学教案

化学工艺流程(对应复习讲义第172页)[题型解读]1．呈现形式化学工艺流程题由题引、题干和题设三部分构成。(1)制备型题型特点(2)提纯型题型特点2．设问方式题引一般简单介绍该工艺生产流程的原材料和生产目的、产品(包括副产品)；题干以工业生产实际为主要背景，以文字、工艺流程图、表格相结合的形式呈现；题设主要是根据生产过程中涉及的化学知识步步设问，形成与化工生产紧密联系的化工工艺试题，主要涉及原料的选择、循环利用、绿色化学、环境保护、分离提纯、反应原理、实验操作、产率计算等。3．考查风格试题陌生度高，以陌生的新物质为背景，贴近工业生产(如会出现更多的工业术语和设备名称等)，试题文字信息量大，综合性强，对能力要求高。[解题指导]1．解题思路(1)粗读题干，挖掘图示关注关键字，弄懂流程图，但不必将每一种物质都推出，只需问什么推什么。如制备类无机化工题，可粗读试题，知道题目制取什么、大致流程和有什么提示等。(2)结合问题，精读信息抓三方面：一是主干，二是流程图示，三是设置问题。读主干抓住关键字、词；读流程图，重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。(3)跳跃思维，规范答题答题时应注意前后问题往往没有“相关性”，即前一问未答出，不会影响后面答题。2．析题关键(1)看原料：明确化工生产或化学实验所需的材料。(2)看目的：把握题干中的“制备”或“提纯”等关键词，确定化工生产或化学实验的目的。(3)看箭头：进入的是投料(即反应物)；出去的是生成物(包括主产物和副产物)。(4)看三线：主线主产品；分支副产品；回头为循环。(5)找信息：明确反应条件控制和分离提纯方法。(6)关注所加物质的可能作用：参与反应、提供反应氛围、满足定量要求。3．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。类型1制备型工艺流程题1．物质制备过程的条件控制(1)控制体系的环境氛围①需要在酸性气流中干燥FeCl3、AlCl3、MgCl2等含水晶体，抑制水解并带走因分解产生的水汽。②营造还原性氛围，防止还原性物质被氧化。如加入铁粉防止Fe2＋被氧化。③加入氧化剂进行氧化。如加入绿色氧化剂H2O2将Fe2＋氧化转化为Fe3＋，绿色氧化剂H2O2的优点：不引入新杂质，对环境无污染。(2)控制反应温度①加热：加速溶解、加快反应速率或促进平衡向某个方向移动(如促进水解生成沉淀)。②降温：防止某物质在某温度时会溶解或分解，或促进平衡向某个方向移动。③控制温度在一定范围内：综合多方面因素考虑。如使反应速率不至于太慢、抑制或促进平衡移动、防止反应物分解、防止副反应发生、使催化剂的催化活性最高等。④如题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要根据它们溶解度随温度升高而改变的情况，寻找合适的结晶分离方法。2．在流程题中，常会看到压强、温度等外界条件的出现，不同的工艺对化学反应的温度或压强有不同的要求，其所起的作用也不一样，但都是能否达到实验目的的关键所在，也是命题专家们经常考查的地方。对外界条件的分析主要从对反应速率和平衡转化率的影响这两个方面着手。如①使催化剂的活性达到最高：如工业合成氨或SO2的催化氧化反应，选择的温度是500℃左右，原因之一就是这样可使催化剂的活性达到最高。②对于一些工艺来说，降温或减压都可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的目的。[典例示范](2017·全国卷Ⅰ，27)Li4Ti5O12和LiFePOeq\o\al(①,4)都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿②(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备。工艺流程如下：回答下列问题：(1)“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如下图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时④，所采用的实验条件为________。(2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl2－eq\o\al(⑤,4)形式存在，写出相应反应的离子方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示：温度/℃3035404550TiO2·xH2O转化率/%9295979388分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高⑥的原因__________________________________。(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4，其中过氧键的数目为________。(5)若“滤液②”中c(Mg2＋)＝0.02mol·L－1，加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍)⑦，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5mol·L－1，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？________________________________________________________________________(列式计算)⑦。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10－22、1.0×10－24。(6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式________________________________________________________________________。eq\a\vs4\al(信息提取)①明确生产目的：利用钛铁矿为原料制备Li4Ti5O12和LiFePO4。②明确原料：明确原料的主要成分是FeTiO3和杂质成分是MgO、SiO2；MgO可以与酸反应而SiO2不溶于酸。③关注核心反应：盐酸酸浸(哪些物质与酸反应，哪些物质不溶于酸等)、双氧水氧化(氨水存在时哪些离子被氧化、磷酸存在时哪些离子被氧化)、高温煅烧(反应物、反应条件和生成物)等。④识图像：坐标含义(横坐标是时间、纵坐标是铁的浸出率、等温线等)，关键点(平衡点)；从关键点纵坐标为70时，分析条件为“100℃、2h”或“90℃、5h”两个点。⑤信息理解与应用：从生成物分析钛的化合价变化情况，进而确定反应情况。⑥读懂表格信息：温度适宜时转化率最高，结合物质性质分析，温度过高H2O2及NH3·H2O分解。⑦关注细节信息：溶液体积加倍，离子浓度变为原来的一半；要求列式计算，不能直接写出计算结果。eq\a\vs4\al(典例解析)(1)由“酸浸”实验中铁的浸出率结果图像可知，当铁的浸出率为70%时，所采取的实验条件是100℃、2h和90℃、5h。(2)钛铁矿的主要成分为FeTiO3，加入盐酸“酸浸”后，钛主要以TiOCleq\o\al(2—,4)形式存在，结合原子守恒和电荷守恒写出离子方程式。(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应在40℃时TiO2·xH2O的转化率最高，当温度低于40℃时，TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加；当温度超过40℃时，因为H2O2不稳定受热发生分解并且氨气逸出，导致TiO2·xH2O转化率下降。(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4，Li的化合价为＋1，而过氧键(—O—O—)中O元素的化合价为－1，设过氧键的个数为x个，其余O原子为y个，则有2x＋y＝15，根据化合物中各元素化合价的代数和为0可得：(＋1)×2＋(＋4)×5＋(－1)·2x＋(－2)·y＝0，解得x＝4，y＝7，故过氧键数目为4个。(5)FePO4的Ksp＝1.3×10－22，当Fe3＋恰好沉淀完全时，溶液中c(POeq\o\al(3—,4))＝Ksp(FePO4)/c(Fe3＋)＝eq\f(1.3×10－22,1.0×10－5)mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1，“滤液②”中c(Mg2＋)＝0.02mol·L—1×1/2＝0.01mol·L—1，此时，浓度熵为Qc＝c3(Mg2＋)·c2(POeq\o\al(3—,4))＝0.013×(1.3×10—17)2≈1.7×10—40＜Ksp[Mg3(PO4)2]＝1.0×10－24，故不会生成Mg3(PO4)2沉淀。(6)由工艺流程图可知，“高温煅烧②”中FePO4、Li2CO3、H2C2O4在高温下反应生成LiFePO4，结合原子守恒推知，产物还有CO2和H2O，根据质量守恒定律写出化学方程式。[答案](1)100℃、2h，90℃、5h(2)FeTiO3＋4H＋＋4Cl－=Fe2＋＋TiOCleq\o\al(2－,4)＋2H2O(3)低于40℃，TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加；超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化下降(4)4(5)Fe3＋恰好沉淀完全时，c(POeq\o\al(3－,4))＝eq\f(1.3×10－22,1.0×10－5)mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1，c3(Mg2＋)·c2(POeq\o\al(3－,4))值为0.013×(1.3×10－17)2≈1.7×10－40<Ksp[Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀(6)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4eq\o(=,\s\up7(高温))2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O类型2提纯型工艺流程题1．物质分离提纯的原则(1)不增：不引入新的杂质。(2)不减：不减少被提纯的物质。(3)易分离：被提纯物与杂质易于分离。(4)易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成、状态。2．常用的提纯方法水溶法除去可溶性杂质酸溶法除去碱性杂质碱溶法除去酸性杂质氧化剂或还原剂法除去还原性或氧化性杂质加热灼烧法除去受热易分解或易挥发的杂质调节溶液的pH法如除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等3.常用的分离方法过滤分离难溶物和易溶物，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，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴蒸发结晶提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl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等蒸馏或分馏分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油冷却法利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离平衡混合气体中的氨气[深度归纳]1．增大原料浸出率(离子在溶液中被浸出的百分率)的措施：搅拌、升高温度、延长浸出时间、增大气体的流速(浓度、压强)、增大气液或固液接触面积。根据物质的具体性质，原料浸泡可分为水浸、酸浸、碱浸、醇浸等。2．过滤问题(1)3个基本操作①检验溶液中离子是否沉淀完全的方法：将溶液静置一段时间后，用胶头滴管取上层清液少许放入小试管中，向其中滴入沉淀剂，若无沉淀生成，则说明离子沉淀完全。②洗涤沉淀：沿玻璃棒往漏斗中加蒸馏水至液面浸没沉淀，待水自然流下后，重复操作2～3次。③检验沉淀是否洗涤干净的方法：取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴入某试剂，若没有特征现象出现，则证明沉淀已洗涤干净。(2)特定洗涤目的①冰水洗涤的目的：洗去晶体表面的杂质离子并降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗。②乙醇洗涤的目的：降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，得到较干燥的产物。3．结晶方式(1)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分离提纯，如除去KNO3中的少量NaCl或受热易分解的物质，如晶体水合物、铵盐等。(2)蒸发结晶、趁热过滤：适用于杂质的溶解度随温度变化较大物质的分离提纯，可减少杂质晶体的析出，如除去NaCl中的少量KNO3。趁热过滤的方法：漏斗预热，用少量热蒸馏水通过过滤器，带加热装置的漏斗、抽滤。提醒：晶体的干燥：要得到干燥的晶体，常见的干燥方法有自然晾干、滤纸吸干、在干燥器中干燥、烘干(适用于热稳定性较好的物质)。4．调节溶液pH分离提纯(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。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)31.53.7Fe(OH)27.69.6Mn(OH)28.39.8若要除去Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，可先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调节溶液的pH在3.7≤pH<8.3。(2)调节pH所需的物质应满足两点：能与H＋反应，使溶液pH增大；不引入新杂质。例如：要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。[典例示范](2018·全国卷Ⅱ，T26)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。一种以闪锌矿(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图所示：相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：金属离子Fe3＋Fe2＋Zn2＋Cd2＋开始沉淀的pH1.56.36.27.4沉淀完全的pH2.88.38.29.4回答下列问题：(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有________；氧化除杂工序中ZnO的作用是________，若不通入氧气，其后果是________。(3)溶液中的Cd2＋可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方程式为________________________________________________________________________。(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时，阴极的电极反应式为________________________________________________________________________；沉积锌后的电解液可返回________工序继续使用。[三步审读]eq\a\vs4\al(典例解析)(1)在焙烧过程中ZnS和O2反应生成ZnO和SO2。(2)溶液中的Pb2＋与SOeq\o\al(2－,4)不能共存，生成PbSO4沉淀，SiO2不溶于H2SO4，即滤渣1中含SiO2和PbSO4。氧化除杂过程中O2能将溶液中Fe2＋氧化生成Fe3＋，加入ZnO能调节溶液的pH，促进Fe3＋完全水解。由题表知Fe2＋、Zn2＋开始沉淀和沉淀完全时的pH非常接近，若不通入O2使Fe2＋氧化为Fe3＋，加入ZnO后无法除去Fe2＋，会影响Zn的纯度。(3)根据题中信息可知还原除杂工序中涉及的离子反应式为Cd2＋＋Zn=Cd＋Zn2＋。(4)结合图示可知电解ZnSO4溶液时生成Zn，即电解时Zn2＋在阴极被还原，电极反应式为Zn2＋＋2e－=Zn。沉积Zn后的电解液中主要含有H2SO4，可返回溶浸工序中继续使用。[答案](1)2ZnS＋3O2eq\o(=,\s\up7(焙烧))2ZnO＋2SO2(2分)(2)PbSO4(2分)调节溶液的pH(2分)无法除去杂质Fe2＋(2分)(3)Cd2＋＋Zn=Cd＋Zn2＋(2分)(4)Zn2＋＋2e－=Zn(2分)溶浸(2分)[对点练习]1．(2018·合肥模拟)三盐(3PbO·PbSO4·H2O)可用作聚氯乙烯的热稳定剂，200℃以上开始失去结晶水，不溶于水及有机溶剂。以200.0t铅泥(主要成分为PbO、Pb及PbSO4等)为原料制备三盐的工艺流程如图所示。已知：PbSO4和PbCO3的溶解度和溶度积Ksp如下表。化合物PbSO4PbCO3溶解度/g1.03×10－41.81×10－7Ksp1.82×10－81.46×10－13(1)步骤①转化的目的是________________________________________________________________________，滤液1中的溶质为Na2CO3和________(填化学式)。(2)步骤③酸溶时，为提高酸溶速率，可采取的措施是________________(任写一条)。其中铅与硝酸反应生成Pb(NO3)2和NO的离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)滤液2中可循环利用的溶质的化学式为________________________________________________________________________。若步骤④沉铅后的滤液中c(Pb2＋)＝1.82×10－5mol/L，则此时c(SOeq\o\al(2－,4))＝________mol/L。(4)步骤⑦洗涤操作时，检验沉淀是否洗涤完全的方法是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)步骤⑥合成三盐的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________，若得到纯净干燥的三盐99.0t，假设铅泥中的铅元素有80%转化为三盐，则铅泥中铅元素的质量分数为______________。[解析](1)步骤①用纯碱溶液浸取铅泥，将PbSO4转化为PbCO3，提高铅的利用率，滤液1中的溶质为过量的Na2CO3和反应生成的Na2SO4。(2)步骤③酸溶时，可通过适当升温、适当增大硝酸浓度或减小沉淀粒径来提高酸溶速率；铅与硝酸反应的离子方程式为3Pb＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Pb2＋＋2NO↑＋4H2O。(3)滤液2中可循环利用的溶质的化学式为HNO3；根据Ksp(PbSO4)＝1.82×10－8＝c(Pb2＋)·c(SOeq\o\al(2－,4))，c(Pb2＋)＝1.82×10－5mol/L，则此时c(SOeq\o\al(2－,4))＝1.00×10－3mol/L。(4)该沉淀吸附的离子是硫酸根离子，用盐酸酸化的氯化钡溶液检验，其检验方法为：取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴加盐酸酸化的BaCl2溶液，若不产生白色沉淀，则表明已洗涤完全。(5)步骤⑥合成三盐的化学方程式为4PbSO4＋6NaOHeq\o(=,\s\up7(50～60℃))3Na2SO4＋3PbO·PbSO4·H2O＋2H2O，若得到纯净干燥的三盐99.0t，则含有的铅元素质量为99.0t×eq\f(207×4,990)＝82.8t，则铅泥中铅元素的质量分数为eq\f(82.8t,80%×200.0t)×100%＝51.75%。[答案](1)将PbSO4转化为PbCO3，提高铅的利用率Na2SO4(2)适当升温(或适当增大硝酸浓度或减小沉淀粒径等)3Pb＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Pb2＋＋2NO↑＋4H2O(3)HNO31.00×10－3(4)取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴加盐酸酸化的BaCl2溶液，若不产生白色沉淀，则表明已洗涤完全(5)4PbSO4＋6NaOHeq\o(=,\s\up7(50～60℃))3Na2SO4＋3PbO·PbSO4·H2O＋2H2O51.75%2．(2017·全国卷Ⅲ，27)重铬酸钾是一种重要的化工原料，一般由铬铁矿制备，铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3，还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示：回答下列问题：(1)步骤①的主要反应为FeO·Cr2O3＋Na2CO3＋NaNO3eq\o(→,\s\up7(高温))Na2CrO4＋Fe2O3＋CO2＋NaNO2上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的化学计量数比为________。该步骤不能使用陶瓷容器，原因是________________________________________________________________________。(2)滤渣1中含量最多的金属元素是________，滤渣2的主要成分是________及含硅杂质。(3)步骤④调滤液2的pH使之变________(填“大”或“小”)，原因是