（新課改省份專版）2020高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 4.11 題型研究 化學(xué)工藝流程綜合題學(xué)案（含解析）.doc

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第11課時　題型研究——化學(xué)工藝流程綜合題 無機(jī)化工流程題是以實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程為背景，以解決化學(xué)實(shí)際問題為思路設(shè)置問題，通常以流程圖的形式呈現(xiàn)生產(chǎn)過程，有時還結(jié)合表格和圖像提供多種信息。試題的結(jié)構(gòu)通常分為題頭、流程和設(shè)問三部分。題頭一般是簡單介紹該工藝生產(chǎn)的原材料和工藝生產(chǎn)的目的(包括副產(chǎn)品)；流程部分主要用框圖形式將原料到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝流程表示出來；設(shè)問主要是根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及的化學(xué)知識來設(shè)置，從而組成一道完整的化學(xué)試題。從要解決的問題看，這類試題通常有兩個目的：一是從混合物中分離、提純某種物質(zhì)；二是利用某些物質(zhì)制備另一物質(zhì)。 [技法點(diǎn)撥] 1．化工生產(chǎn)的一般流程 2．試題的設(shè)問角度 化工流程題的考點(diǎn)主要從以下6點(diǎn)設(shè)置： (1)基本操作 除雜、分離、檢驗、洗滌、干燥等實(shí)驗操作的步驟描述；加入某些試劑或某個操作步驟的目的描述。 (2)物質(zhì)的分離與提純 通過調(diào)節(jié)pH使溶液中的金屬離子沉淀達(dá)到分離除雜的目的，據(jù)此選擇需要加入的化學(xué)試劑；加入某種物質(zhì)使難溶物轉(zhuǎn)化為更難溶的物質(zhì)后，通過過濾除去等。 (3)化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡理論的運(yùn)用 例如，研磨使反應(yīng)物顆粒變小，增大反應(yīng)物間的接觸面積，從而增大反應(yīng)速率，提高原料利用率；升高溫度能增大反應(yīng)速率，使吸熱反應(yīng)平衡正向移動等。 (4)化學(xué)方程式或離子方程式的書寫 根據(jù)流程圖及設(shè)問中的信息找出反應(yīng)物和生成物，書寫指定的化學(xué)方程式或離子方程式。 (5)環(huán)境與綠色化學(xué)思想 流程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)、資源的回收和利用、“三廢”的來源、對環(huán)境的影響及處理措施等。 (6)化學(xué)計算 聯(lián)系原料純度、轉(zhuǎn)化率、損失率、產(chǎn)物產(chǎn)率等計算產(chǎn)品質(zhì)量；聯(lián)系溶液配制、滴定操作測定樣品中某元素含量或產(chǎn)品純度；聯(lián)系溶度積常數(shù)，計算溶液中某離子濃度或完全沉淀時的pH等。 3．工藝流程中的常見專業(yè)術(shù)語 釋義 研磨、霧化 將塊狀或顆粒狀的物質(zhì)磨成粉末或?qū)⒁后w分散成微小液滴，增大反應(yīng)物接觸面積，以加快反應(yīng)速率或使反應(yīng)更充分 灼燒(煅燒) 使固體在高溫下分解或改變結(jié)構(gòu)、使雜質(zhì)高溫氧化、分解等。如煅燒石灰石、高嶺土、硫鐵礦 浸取 向固體中加入適當(dāng)溶劑或溶液，使其中可溶性的物質(zhì)溶解，包括水浸取、酸溶、堿溶、醇溶等 酸浸 在酸性溶液中使可溶性金屬離子進(jìn)入溶液，不溶物通過過濾除去的過程 浸出率 固體溶解后，離子在溶液中的含量的多少 滴定 定量測定，可用于某種未知濃度物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度的測定 酸作用 溶解、去氧化物(膜)、抑制某些金屬離子的水解、除去雜質(zhì)離子等 堿作用 去油污、去鋁片氧化膜，溶解鋁、二氧化硅、調(diào)節(jié)pH、促進(jìn)水解(沉淀) 4．物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中分離提純階段的主要操作 除雜 加入沉淀劑或控制溶液的酸堿性使形成氫氧化物沉淀。如：除去含Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等來調(diào)節(jié)溶液的pH 加熱 加快反應(yīng)速率或使平衡向某個方向移動。如果在制備過程中出現(xiàn)一些受熱易分解的物質(zhì)或產(chǎn)物，則要注意對溫度的控制。如：侯氏制堿中的NaHCO3；還有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(濃)等物質(zhì) 降溫 防止某物質(zhì)在高溫時會分解或使平衡向著題目要求的方向移動 分離 固液分離——過濾 液液分離： a.有溶解度差異——結(jié)晶或重結(jié)晶(蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、烘干；蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾) b.有溶解性差異——(萃取)分液 c.有沸點(diǎn)差異——蒸餾 5．獲得產(chǎn)品階段的主要操作 洗滌(冰水、熱水、有機(jī)溶劑) 水洗：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子(適用于溶解度小的物質(zhì)) 冰水洗滌：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子，并減少晶體在洗滌過程中的溶解損耗(適用于高溫溶解度大、低溫溶解度小的物質(zhì)) 醇洗(常用于溶解度較大的物質(zhì))：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子，并減少晶體在洗滌過程中的溶解損耗(若對溶解度小的物質(zhì)進(jìn)行醇洗，則是為了洗去雜質(zhì)離子，并使其盡快干燥) 蒸發(fā)時的氣體氛圍抑制水解 如從溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶質(zhì)時，應(yīng)在HCl的氣流中加熱，以防其水解 蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶 如K2Cr2O7和少量NaCl的混合溶液，若將混合溶液加熱蒸發(fā)后再降溫，則析出的固體主要是K2Cr2O7，母液中是NaCl和少量K2Cr2O7，這樣就可分離出大部分K2Cr2O7；同樣原理可除去KNO3中的少量NaCl 蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾 如NaCl和少量K2Cr2O7的混合溶液，若將混合溶液蒸發(fā)一段時間，析出的固體主要是NaCl，母液中是K2Cr2O7和少量NaCl；同樣原理可除去NaCl中的少量KNO3 [提醒]　趁熱過濾：若目的是獲得固體，則為防止其他物質(zhì)析出導(dǎo)致產(chǎn)品不純或防止溫度降低固體溶解；若目的是獲得液體，則為防止溫度降低析出固體，造成損耗。 6．工藝流程題中常見問題的答題方向 常見問題 答題要考慮的角度 分離、提純 過濾、蒸發(fā)、萃取、分液、蒸餾等常規(guī)操作，如從溶液中得到晶體的方法：蒸發(fā)濃縮—冷卻結(jié)晶—過濾—(洗滌、干燥) 提高原子利用率 綠色化學(xué)(物質(zhì)的循環(huán)利用、廢物處理、原子利用率、能量的充分利用) 在空氣中或特定氣體中進(jìn)行的反應(yīng)或操作 要考慮O2、H2O、CO2或特定氣體是否參與反應(yīng)或能否達(dá)到隔絕空氣，防氧化、水解、潮解等目的 洗滌沉淀 方法：往漏斗中加入蒸餾水至浸沒沉淀，待水自然流下后，重復(fù)以上操作2～3次 判斷沉淀是否洗滌干凈 取最后洗滌液少量，檢驗其中是否還有某種離子存在等 控制溶液的pH ①調(diào)節(jié)溶液的酸堿性，抑制水解(或使其中某些金屬離子形成氫氧化物沉淀) ②“酸作用”還可除去氧化物(膜) ③“堿作用”還可除去油污，除去鋁片氧化膜，溶解鋁、二氧化硅等 ④特定的氧化還原反應(yīng)需要的酸性條件(或堿性條件) 控制溫度(常用水浴、冰浴或油浴) ①使化學(xué)平衡移動；控制化學(xué)反應(yīng)的方向 ②控制固體的溶解與結(jié)晶 ③控制反應(yīng)速率：使催化劑達(dá)到最大活性 ④升溫：促進(jìn)溶液中的氣體逸出，使某物質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)揮發(fā) ⑤加熱煮沸：促進(jìn)水解，聚沉后利于過濾分離 [典例剖析] [典例1]　(2018全國卷Ⅱ)我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家。一種以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì))為原料制備金屬鋅的流程如圖所示： 相關(guān)金屬離子[c0(Mn＋)＝0.1 molL－1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下： 金屬離子 Fe3＋ Fe2＋ Zn2＋ Cd2＋ 開始沉淀的pH 1.5 6.3 6.2 7.4 沉淀完全的pH 2.8 8.3 8.2 9.4 回答下列問題： (1)焙燒過程中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為__________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)濾渣1的主要成分除SiO2外還有________；氧化除雜工序中ZnO的作用是________，若不通入氧氣，其后果是________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)溶液中的Cd2＋可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應(yīng)的離子方程式為________________________________________________________________________。 (4)電解硫酸鋅溶液制備單質(zhì)鋅時，陰極的電極反應(yīng)式為____________________；沉積鋅后的電解液可返回________工序繼續(xù)使用。 [解題流程] [答案]　(1)ZnS＋O2ZnO＋SO2(或2ZnS＋3O22ZnO＋2SO2) (2)PbSO4　調(diào)節(jié)溶液的pH　無法除去雜質(zhì)Fe2＋ (3)Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋ (4)Zn2＋＋2e－===Zn　溶浸 [典例2]　(2016全國卷Ⅲ)以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生產(chǎn)硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為： 物質(zhì) V2O5 V2O4 K2SO4 SiO2 Fe2O3 Al2O3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 2.2～2.9 2.8～3.1 22～28 60～65 1～2 ＜1 　　以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線： 回答下列問題： (1)“酸浸”時V2O5轉(zhuǎn)化為VO，反應(yīng)的離子方程式為 ________________________________________________________________________， 同時V2O4轉(zhuǎn)化成VO2＋?！皬U渣1”的主要成分是________?！? (2)“氧化”中欲使3 mol的VO2＋變?yōu)閂O，則需要氧化劑KClO3至少為________ mol。 (3)“中和”作用之一是使釩以V4O形式存在于溶液中?！皬U渣2”中含有________。 (4)“離子交換”和“洗脫”可簡單表示為：4ROH＋V4OR4V4O12＋4OH－(ROH為強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂)。為了提高洗脫效率，淋洗液應(yīng)該呈________性(填“酸”“堿”或“中”)。 (5)“流出液”中陽離子最多的是________。 (6)“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀，寫出“煅燒”中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________________________________________________。 [解題流程]　 [答案]　(1)V2O5＋2H＋===2VO＋H2O　SiO2　 (2)0.5　(3)Fe(OH)3和Al(OH)3　(4)堿　 (5)K＋　(6)2NH4VO3V2O5＋H2O＋2NH3↑ [備考方略]　解答化工流程題的基本步驟 (1)從題干中獲取有用信息，閱讀題干時要隨手畫出目的及相關(guān)信息，了解反應(yīng)物是什么，產(chǎn)品是什么，主要分析出產(chǎn)品中各個元素的來源，即分析“元素流向”。 (2)了解流程中一些實(shí)驗操作的目的，通常都是為了凈化原料或者提純產(chǎn)品。 (3)對反應(yīng)條件的分析可從以下幾個方面著手： ①對反應(yīng)速率有何影響； ②對平衡轉(zhuǎn)化率有何影響； ③對綜合生產(chǎn)效益有何影響(從原料來源、能源成本、環(huán)境保護(hù)、循環(huán)利用方面考慮)。 [對點(diǎn)練1]　3PbOPbSO4H2O化學(xué)名：三鹽基硫酸鉛，簡稱三鹽，M＝990 gmol－1。不溶于水，微黃色粉末，可用作聚氯乙烯穩(wěn)定劑。以鉛泥(含PbO、Pb及PbSO4等)為原料制備三鹽基硫酸鉛的工藝流程如圖所示。 請回答下列問題： (1)步驟①轉(zhuǎn)化的目的是______________，將濾液1、濾液3合并，經(jīng)蒸發(fā)濃縮、降溫結(jié)晶、過濾等操作，可得到一種結(jié)晶水合物(M＝322 gmol－1)，其化學(xué)式為________；濾液2中可循環(huán)利用的溶質(zhì)為________(填化學(xué)式)。 (2)步驟⑥合成三鹽的化學(xué)方程式為____________________________________________ ________________________________________________________________________； 步驟⑦洗滌沉淀時的操作是_________________________________________________； 若以100.0 t鉛泥為原料制得純凈干燥的三鹽49.5 t，假設(shè)鉛泥中的鉛元素有90%轉(zhuǎn)化為三鹽，則鉛泥中鉛元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為________。 解析：(1)步驟①加入Na2CO3溶液能將PbSO4轉(zhuǎn)化為PbCO3，可以提高鉛元素的利用率。結(jié)合上述分析可知濾液1、濾液3中均含有Na2SO4，再結(jié)合所得晶體的摩爾質(zhì)量可知析出的晶體為Na2SO410H2O。濾液2中的HNO3可循環(huán)使用。(2)步驟⑥中加入NaOH溶液，使PbSO4轉(zhuǎn)化成三鹽，化學(xué)方程式為4PbSO4＋6NaOH3PbOPbSO4H2O＋3Na2SO4＋2H2O。沉淀表面有Na2SO4等雜質(zhì)，洗滌沉淀時，向漏斗中加蒸餾水至浸沒沉淀，讓蒸餾水自然流下，并重復(fù)上述操作2～3次即可。設(shè)鉛泥中鉛元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x，根據(jù)關(guān)系式： 4Pb　　　　～　　　　3PbOPbSO4H2O 4 mol207 gmol－1 　 990 g 100．0 tx90%　　　49.5 t 則＝，解得x＝46.0%。 答案：(1)將PbSO4轉(zhuǎn)化為PbCO3，提高鉛元素的利用率　Na2SO410H2O　HNO3 (2)4PbSO4＋6NaOH3PbOPbSO4H2O＋3Na2SO4＋2H2O　向漏斗中加蒸餾水至浸沒沉淀，讓蒸餾水自然流下，并重復(fù)上述操作2～3次　46.0% [對點(diǎn)練2]　濕法煉鋅產(chǎn)生的銅鎘渣主要含鋅、鎘(Cd)、銅、鐵、鈷(Co)等金屬單質(zhì)。利用銅鎘渣可生產(chǎn)Cu、Cd及ZnSO47H2O 等，其生產(chǎn)流程如圖： 如表是部分金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH(開始沉淀的pH按金屬離子濃度為0.1 molL－1計算)： 氫氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Cd(OH)2 Zn(OH)2 開始沉淀的pH 1.9 7.0 7.2 5.4 沉淀完全的pH 3.2 9.0 9.5 8.2 請回答下列問題： (1)提高銅鎘渣的“浸出”速率的措施有________________________________(寫出1條即可)。 (2)Fe的金屬性比Co強(qiáng)，該流程中“除鈷”____________(填“能”或“不能”)用Zn代替Fe，“除鈷”中Fe發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是_____________________________。 (3)“除鐵”操作中加入H2O2的目的是______________________________，加入ZnO的目的是調(diào)節(jié)溶液pH，以除去溶液中的鐵元素，調(diào)節(jié)溶液pH的范圍為_________，“除鐵”操作中的沉淀成分是__________(寫化學(xué)式)。 (4)“電解”后的電解廢液是ZnSO4溶液，用該電解廢液制備ZnSO47H2O的方法是________________________________________________________________________。 (5)“除鈷”后的含鈷廢渣在空氣中煅燒，煅燒后的成分測定如表： 元素 Co Zn Cu Fe 含量/% 59.00 0.52 0.20 13.16 則煅燒后所得固體混合物中，鈷氧化物的化學(xué)式是________。 解析：(1)升高溫度、增大反應(yīng)物表面積等均可提高反應(yīng)速率。(2)因Zn的金屬性比Fe強(qiáng)，故可用Zn代替鐵除鈷。除鈷中Fe與Co2＋發(fā)生置換反應(yīng)生成Fe2＋和Co。(3)H2O2可氧化Fe2＋，使之轉(zhuǎn)化為Fe3＋。根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，可知欲除去溶液中的鐵元素，需加入ZnO調(diào)節(jié)溶液pH的范圍為3.2～5.4，此時Fe3＋完全轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3 沉淀。(4)從ZnSO4溶液中制備ZnSO47H2O的方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾。(5)由題意知，煅燒后所得固體為鈷氧化物、ZnO、CuO、Fe2O3的混合物，設(shè)煅燒后所得固體質(zhì)量為100 g，結(jié)合題表中的數(shù)據(jù)可知，鈷氧化物中m(O)＝100 g－59.00 g－81 gmol－1－80 gmol－1－160 gmol－1＝21.302 g，則鈷氧化物中n(O)＝≈1.33 mol，n(Co)＝＝1.00 mol，故鈷氧化物的化學(xué)式為Co3O4。 答案：(1)適當(dāng)升高浸取液溫度(或?qū)~鎘渣磨制成粉末等) (2)能　Fe＋Co2＋===Fe2＋＋Co (3)將Fe2＋氧化成Fe3＋　3.2～5.4　Fe(OH)3 (4)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾　(5)Co3O4