2023版高三一轮总复习化学鲁科版教案：第3章 第15讲 无机化工流程解题策略(能力课)

第15讲无机化工流程解题策略（能力课）

,复习目标

1.以化工流程为载体掌握物质的制备原理，反应条件的控制和提高产率的措

施等。

2,以化工流程为载体掌握物质的分离提纯原理及涉及的仪器和操作。

环节一明确试题模式•建立思维模型

1.明确试题模式

考虑副产品的循环利用

ffl对底料的

核心化产品的分

m~7施学反应高提纯

主要是烟烧、酸溶、考虑可能:过滤、结晶、蒸储、萃取

:分液等分离操作。通常

碱溶等操作,初步除发生的副:要考虑分离条件：pH、

掉杂质反应;温度等

图1图2图3

图1箭头表示反应物加入同时生成物出来；

图2箭头表示反应物分步加入和生成物出来；

图3箭头表示循环反应。

2.搞清命题角度

命题的角度主要有（1）原料的处理方法，（2）重要转化的方程式书写，（3）物质

的分离、提纯方法与原理，（4）反应条件的控制方法，（5）涉及产率、的有关计

算，（6）涉及的化学反应原理分析等。

3.建立思维模型

⑴审题干——明确原料成分和目的要求

氧化还原反应、

复分解反应（含水解）

|原料|」制备旬

化学反应）

\除£什么？

产品的信息引进什么？

⑵审流程——明确各步转化原理和目的

①看箭头：进入的是原料（即反应物）；出去的是生成物（包括主产物和副产

物)。

②看三线：主线主产品、分支副产品、回头为循环。

③找信息：明确反应条件控制和分离提纯方法。

④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)审问题——明确答什么

①不要答非所问：要看清题目要求，按要求答题，防止答非所问。

②规范答题：回答问题要准确全面，注意语言表达的规范性，特别是化学

用语的书写与表示要准确、规范。

【典例】(2020•全国III卷，T27节选)某油脂厂废弃的油脂加氢银催化剂主

要含金属Ni、AkFe及其氧化物，还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流

程回收其中的银制备硫酸银晶体(NiSOCHzO)：

废

NaOH溶液稀％SO.耳。?溶液NaOH溶液硫

锦

酸

催

*银

化

晶

剂

体

溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表所示:

金属离子Ni2+Al3+Fe3+Fe2+

开始沉淀时(c=0.01mobL-I)^JpH7.23.72.27.5

沉淀完全时(c=1.0XIO=mol・L-i)的pH8.74.73.29.0

回答下列问题:

(1)“碱浸”中NaOH的两个作用分别是

为回收金属，用稀硫酸将“滤液①”调为中性，生成沉淀。写出该反应的

离子方程式________________________________________________________________

(2)“滤液②”中含有的金属离子是O

⑶“转化”中可替代H2O2的物质是o若工艺流程改为先“调

pH”后“转化”，即

NaOH溶液H溶液

滤液②滤液③

调pH转化

滤渣③

“滤液③”中可能含有的杂质离子为0

(4)将分离出硫酸银晶体后的母液收集、循环使用，其意义是

[三步审读]

审原料成分：Ni、Al、Fe及其氧化物和其他不溶

题性物质

干

目的：制备NiSO,•7H2。

fAl及其氧化物溶解生成

[AKOIDJ进入滤液①.Fe、

—“碱浸”,

Ni及其氧化物和其他不溶性

.物质进入滤饼①

A(Fe、Ni及其氧化物溶解生成IV、

审—,•酸浸”

流[Fe"、Ni”进入滤液②

程

H.O.,

一“转化ZFe?—二*FT+

1—“调pHZFe"->FeCOH).,去除Fe3

NaOH——除油脂

作用工溶解A1及其氧化物

厂问题(1)一+

LLAI(()H)J->AI(()H)3

一问题(：滤液②”中含2+3、

审2)“Fe,FeNi”

问

题—替代H..()2的物质为不引入新杂

质的氧化剂

—问题(3)—

先调pH.Fl无法沉淀，然后被

H?()2氧化为Fe3

—问题(4)：母液收集、循环使用有利于提高镇

回收率

[答案](1)除去油脂、溶解铝及其氧化物

-+

[A1(OH)4]+H=A1(OH)3I+H2O

(2)Ni2+>Fe2+>Fe3+

(3)02或空气Fe3+

（4）提高银回收率

I题后归纳I

流程分析三方法

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，

首尾分析法

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

对于用同样的原材料生产多种（两种或两种以上）产品（包括

分段分析法副产品）的工业流程题，用分段分析法更容易找到解题的切

入点

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

交叉分析法产品，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

环节二分类突破方法•提升解题能力

类型1＞以分离提纯为主体的化工流程

1.物质分离、提纯的原则

⑴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CM+溶液中的Fe3+等

(@©@)增大矿石物质的浸出率的措施有：搅拌、加热、升温，增大浸出

液的浓度，粉碎增大固液接触面，延长浸出时间。

3.常用的分离方法

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

过滤

方法

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

萃取和分液

用CC14或苯萃取滨水中的溟

蒸发结晶提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaQ

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

冷却结晶

物，如KNO3、FeCb、CuCL、CuSO4-5H2O>FeSChllhO等

蒸储或分储分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油

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

冷却法

平衡混合气体中的氨气

4.三种分离、提纯的深化

⑴过滤问题

①3个基本操作

将溶液静置一段时间后，用胶头滴管取上层清液

检验溶液中离子是否沉

少许放入小试管中，向其中滴入沉淀剂，若无沉

淀完全的方法

淀生成，则说明离子沉淀完全

沿玻璃棒往漏斗中加蒸储水至液面浸没沉淀，待

洗涤沉淀

水自然流下后，重复操作2〜3次

取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴入

检验沉淀是否洗涤干净

某试剂，若没有特征现象出现，则证明沉淀已洗

的方法

涤干净

②特定洗涤目的

冰水洗涤洗去晶体表面的杂质离子并降低被洗涤物质的溶解度，减

的目的少其在洗涤过程中的溶解损耗

乙醇洗涤降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损

的目的耗，得到较干燥的产物

减压过

加快过滤速率，使沉淀更干燥

滤（抽滤）

⑵结晶方式

蒸发浓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

缩、冷KNCh中的少量NaCl或受热易分解的物质，如晶体水合物、钱

却结晶盐等

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

蒸发结

质晶体的析出，如除去NaCl中的少量KNCh。趁热过滤的方法：

晶、趁

漏斗预热，用少量热蒸储水通过过滤器，带加热装置的漏斗、抽

热过滤

滤

（@@@）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）。

（3）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)31.53.7

Fe(OH)27.69.6

Mn(OH)28.39.8

若要除去Mi?+溶液中含有的Fe2+、Fe3+,可先用氧化剂把Fe?+氧化为

Fe3+,再调节溶液的pH在3.7WpH<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CM卡溶液中混有的Fe3+，可加入CuO、Cu（OH）2、C11CO3、

Cu2（OH）2cO3等物质来调节溶液的pHo

【典例1]（2021•全国乙卷,T26）磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO2、

SiO2>AI2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2€>3。为节约和充分利用资源，通过如

下工艺流程回收钛、铝、镁等。

(NH4)2SO4热水

II

高钛炉渣甲~-ra滤液力分步沉淀1氢氧化物沉淀

尾气水浸渣母液①

q酸溶.|一T水解,卜一Ti02fHq

酸酸溶渣热水母液②

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表:

金属离子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+

开始沉淀的pH2.23.59.512.4

沉淀完全(c=LOX

3.24.711.113.8

10-5molLi)的pH

回答下列问题：

⑴“焙烧”中，TiCh、Si(h几乎不发生反应,AI2O3、MgO、CaO、Fe2O3

转化为相应的硫酸盐，写出A12O3转化为NH4Al(SO4)2的化学方程式：

(2)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0,在“分步沉淀”时用氨水逐步调节

pH至11.6,依次析出的金属离子是。

(3)"母液①"中Mg2+浓度为mol-L'o

(4)“水浸渣”在160℃“酸溶”，最适合的酸是。“酸溶渣”的

成分是、o

⑸“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热，TKJ2+水解析出TiO2/H2O沉淀，

该反应的离子方程式是______________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________O

(6)将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得,循环

利用。

［解析］⑴“焙烧”中，AWh和(NH62SO4反应生成NH4Al(SO4”，同时放

高''日

出N%,反应的化学方程式为ALO3+4(NH4)2SO4=^^2NH4Al(SO“2+6NH3t

3+

+3H2Ofo(2)由题表中Fe3+、Al>Mg2+完全沉淀时的pH分别为3.2、4.7、

11.1可知，用氨水逐步调节pH至11.6的过程中，依次析出的金属离子是Fe3+、

Al3+>Mg2+o⑶依据Mg2+完全沉淀时的pH=ll.l,可知此时C(OH-)=1()-2.9

-12+2

mol-L,此时c(Mg2+)=l(F5moi.L-i,则KSp[Mg(OH)2]=c(Mg)-c(OH-)=10

-10,用氨水逐步调节pH至11.6时，c(OH)=10-24molL_1,则c(Mg2+)=

=I。-mol・Lr。(4)“水浸渣”在160c“酸溶”，为了尽可能减

少酸溶液的挥发而造成不必要的损失且保证TiO2可以完全溶解，故最好选择硫

酸；SiO2不溶于硫酸，“焙烧”生成CaSO4固体，故“酸溶”后所得“酸溶渣”

的成分为SiO2、CaSO4o(5)由题意知，Ti()2+水解生成TiC^xHzO沉淀，该反应

+

的离子方程式为TK)2++(x+i)H2O=B=TiO2・xH2OI+2HO(6)母液①的主要

成分为硫酸铁和氨水，母液②的主栗成分为硫酸，混合后吸收尾气NH3,经处

理可得到(NHQ2SO4,循环利用。

高温

[答案](DAI2O3+4(NH4)2SO4==2NH4A1(SO4)2+6NH3f+3H2Ot

(2)Fe3+>A13+、Mg2+(3)1.0XIO-6

(4)硫酸SiO2CaSO4

2++

(5)TiO+(x+1)H2O^=TiO2xH2OI+2H

(6)(NH4)2SO4

类型2>以物质制备为主体的化工流程

1.物质制备过程的条件控制

⑴控制体系的环境氛围

①需要在酸性气流中干燥FeCh、A1CL、MgCb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。

⑵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2】(2021•湖南选择性考试，Ti7)Ce2(CO»3可用于催化剂载体及功

能材料的制备。天然独居石中，钵(Ce)主要以CePO4形式存在，还含有SiO2、

AI2O3、Fe2O3、CaF2等物质。以独居石为原料制备Ce2(CO3)y〃H2O的工艺流程

如下：

FeCl3①MgO调pH=5

浓H2sO4H2O溶液②絮凝剂NH4HCO3溶液

i-1举除｝一^^——3喇-ce2m『加0

酸性滤渣I漉渣n淀渣m滤液

废气

回答下列问题：

⑴钵的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为o

⑵为提高“水浸”效率，可采取的措施有

____________________________________________________(至少写两条)。

⑶滤渣DI的主要成分是(填化学式)。

(4)加入絮凝剂的目的是__________________________________________

⑸“沉铺”过程中，生成Ce2(CO3)3nH2O的离子方程式为

常温下加入的NH4HCO3溶液呈_______(填“酸性”“碱性”或“中性”)(已

11

知：NH3H2O的Kb=L75X10-5,H2cO3的&1=4.4X10-7,ira2=4.7X10-).

⑹滤渣n的主要成分为FePO4,在高温条件下，Li2c03、葡萄糖(C6Hl2。6)

和FePCh可制备电极材料LiFePCh,同时生成CO和H2O,该反应的化学方程

式为_______________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________O

［解析］焙烧浓硫酸和独居石的混合物、水浸，CePO4转化为Ce2(SO4)3和

H3P。4,SiO2与硫酸不反应，AI2O3转化为AL(SO4)3,Fe2(h转化为Fe2(SO4)3,

CaF2转化为CaSO4和HF,酸性废气含HF;后过滤，滤渣I为SK)2和磷酸钙、

FePO4,滤液主要含H3Po八Ce2(SO4)3、A12(SO4)3>Fe2(SO4)3,加氯化铁溶液

除磷，滤渣n为FePO4；聚沉将铁离子、铝离子转化为沉淀，过滤除去，滤渣

ID主要为氢氧化铝，还含氢氧化铁；加碳酸氢镁沉伸得Ce2(CO3)3・〃H2O。

(5)用碳酸氢铁“沉锦”，则结合原子守恒、电荷守恒可知生成

3

Ce2(CO3)3nH2O的离子方程式为6HC07+2Ce++(〃一

3)H2O==Ce2(CO3)3nH2OI+3CO2t;铁根离子的水解常数Kh(NH*)=

］0-14K10-14

1产5.71X10-1°,碳酸氢根离子的水解常数Kh(HCO「=/=44乂“「7

1./3zx1UAal4.4人1U

=2.3X10-8,则Kh(NHj)<Kh(HCO3),因此常温下加入的NH4HCO3溶液呈碱性。

［答案］(l)^Ce

(2)适当升高温度、将独居石粉碎、搅拌(合理即可)

(3)A1(OH)3

(4)促进A'、Fe3+聚沉为AI(OH)3、Fe(OH)3沉淀

3+

(5)6HCO^+2Ce+(n-3)H2O=Ce2(CO3)3nH2OI+3CO2t碱性

高温

(6)6FeP(h+C6Hl2O6+3Li2co3=^=6LiFePO4+9COt+6H2O

L真题验收■新题预测瑞喈,。口

真题。验收

(2021•河北选择性考试，Tis)绿色化学在推动社会可持续发展中发挥着重要

作用。某科研团队设计了一种熔盐液相氧化法制备高价铭盐的新工艺，该工艺

不消耗除铝铁矿、氢氧化钠和空气以外的其他原料，不产生废弃物，实现了Cr

一Fe-Al-Mg的深度利用和Na+内循环。工艺流程如图：

气体A

Oj(g)*«»NaOH

过餐气体A

曲

过量气体A+H,O(BT工序②I的溶液

、4,I.物质u1敏烧|*⑷

W滤|d溶液,Tawyl-MCDTMgo

混合工体N

固体H

回答下列问题:

⑴高温连续氧化工序中被氧化的元素是(填元素符号)。

⑵工序①的名称为O

⑶滤渣I的主要成分是(填化学式)。

(4)工序③中发生反应的离子方程式为

(5)物质V可代替高温连续氧化工序中的NaOH,此时发生的主要反应的化

学方程式为___________________________________________________________

__________________________________________________________________,

可代替NaOH的化学试剂还有(填化学式)。

(6)热解工序产生的混合气体最适宜返回工序(填“①”或"②”或

“③”或“④”)参与内循环。

(7)工序④溶液中的铝元素恰好完全转化为沉淀的pH为0{通常认

-5_,

为溶液中离子浓度小于10molL为沉淀完全；A1(OH)3+OH^-Al(OH)；：

K=10°63,KW=1()-14,Ksp［Al(OH)3］=10-33}

［解析］铭铁矿与熔融NaOH和。2反应后经工序①得到滤渣I和介稳态物

质；介稳态相分离后得到Na2Cr()4溶液、NaOH溶液和无色溶液，向无色溶液

中通入过量气体A后生成A1(OH)3沉淀和物质V的溶液，又NazCrCh溶液经工

序③后得到Na2Cr2O7溶液和物质V(s),所以气体A为CO2,物质V为NaHCCh。

(l)Fe(CrO2)2中的Fe为+2价,易被氧化为+3价;Fe(Cr€h)2中的Cr为+3价,

在后续产物NazCrCh中Cr为+6价，因此高温连续氧化工序中被氧化的元素是

Fe和Cr。(2)工序①之后为过渡操作，因此加水的目的是溶解可溶性物质，工序

①的名称为溶解。(3)经高温连续氧化工序和工序①后辂铁矿转化为CrOi">

Al(OH)］、Fe2C>3和MgO,故滤渣I的主要成分是FezCh和MgO。(4)由分析可

知，气体A为CO2,不溶性物质V为NaHCCh,故工序③中发生反应的离子方

+

程式为2Na+2CrOi+2CO2+H2O=Cr2Or+2NaHCO3I。(5)由分析可知，

物质V为NaHCO3,可代替高温连续氧化工序中的NaOH,此时发生的主要反

应的化学方程式为4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO3=8Na2CrO4+2Fe2O3+

I6CO2+8H2O;可代替NaOH的化学试剂需满足以下两点要求：一是显碱性，

+

二是能提供Na,因此可代替NaOH的化学试剂还有Na2CO3o(6)热解工序中

产生的混合气体为CO2和水蒸气，最适宜返回工序②参与内循环。(7)由题给方

-

程式A1(OH)3+OH^A1(OH)；K=10°63,可得A1(OH)］KOH+A1(OH)3

犬=10-。.63,贝^=10-0.63=-^黑杰,通常认为溶液中离子浓度小于W-5mol.L

-1为沉淀完全，则10-"63=”表),可得c(OH-)=10-5.63mol-L-i,已知Kw=

10—14,所以pOH=5.63,pH=14-pOH=8.37,故工序④溶液中的铝元素恰好

完全转化为AI(OH)3沉淀的pH为8.37o

［答案］(l)Fe、Cr

⑵溶解

(3)Fe2()3、MgO

(4)2Na++2CrOF+2cCh+H2O=Cr2Or+2NaHCO3I

高温

(5)4Fe(CrO2)2+7O2+16NaHCO3==8Na2CrO4+2Fe2O3+16CO2+8H2O

Na2cO3

(6)(2)

(7)8.37

新题。预测

磷化镉(Cd3P2)常用作杀虫剂，利用湿法炼锌产生的铜镉渣［主要含铜、铁、

镉(Cd)等单质］和红磷生产磷化镉的工艺流程如下：

稀隼酸先加牛。2,再加CdO红沪

铜镉渣-I操作I操［II单言镉管Cd,p2

浪渣IFe(OH),电解废液

相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(金属离子的起始浓度为0.1mol-L-1)

如下表所示：

金属离子Fe3+Fe2+Cd2+

开始沉淀的pH1.56.57.2

沉淀完全的pH3.39.99.5

回答下列问题：

⑴操作［前先粉碎铜镉渣的目的是________________________________

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________0

⑵操作I产生的滤渣I的主要成分为(填化学式)。

⑶操作n中先加入适量H2O2,发生反应的离子方程式为

再加入CdO控制反应液的pH,控制pH的范围为,

判断依据是_________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________O

若加入的H2O2不足，加入CdO后所得的电解液中会含有Fe2+,请设计实验方

案加以检验:_________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________O

(4)净化后的溶液用惰性电极电解可获得镉单质。电解废液中可循环利用的

溶质是»

(5)处理含Cd2+的废水常用加入碳酸钙的方法实现沉淀转化，该沉淀转化的

离子方程式为_______________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________O

2+

用CaCO3除去工业废水中的Cd2+时，若反应达到平衡后溶液中c(Ca)=0.1

-12+-,

mol-L,则此时溶液中c(Cd)=mol-Lo［已知25C时，^sp(CdCO3)

22-922

=5.6x10-12mo