2018届一轮复习苏教版无机化学工业流程学案 12页

无机化学工艺流程 ‎[课时诠释]‎ 化学工艺流程题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，是无机框图的创新。它以现代工业生产为基础，与化工生产成本、产品提纯、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、分离提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用，要求考生依据流程图分析原理，紧扣信息，抓住关键、准确答题。这类试题具有较强的实用性和综合性，是近几年高考化学命题的常考题型，如2016全国卷Ⅲ28题，2016北京理综27等。‎ 附思维主线：‎ 此类题目多以金属矿物加工为载体，综合考查无机元素化合物、化学原理和实验，由于难度大，综合性强，也可放到一轮结束以后作为能力专题使用！‎ 微点聚焦一　以物质制备为目的的工艺流程 ‎[典题示例]‎ ‎【示例1】 ‎ 题 头 挖掘题头信息 ‎(2015·课标全国Ⅰ，27)(14分)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)‎ 题 干 分析题干流程 题 尾 ‎(1)写出Mg2B2O5·H2‎ 知道题尾考查哪些问题 O与硫酸反应的化学方程式________________。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_______________________________[来源:学_科_网Z_X_X_K]‎ ‎________________________________________________________________________(写出两条)。‎ ‎(2)利用________的磁性，可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是_______________________(写化学式)。‎ ‎(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还原剂，其电子式为________。‎ ‎(6)单质硼可用于生产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_______________________________________________。‎ ‎[标准答案]　(1)Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋2H3BO3(3分)　提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径(2分)　(2)Fe3O4(1分)　SiO2和CaSO4(1分)　(3)将Fe2＋氧化为Fe3＋(1分)　使Al3＋和Fe3＋形成氢氧化物沉淀而除去(1分)　(4)(七水)硫酸镁(1分)‎ ‎(5) (1分)‎ ‎(6)2H3BO3B2O3＋3H2O、B2O3＋3Mg 2B＋3MgO(3分)‎ ‎[评分细则]　(1)不配平不得分，漏写条件扣1分 ‎(2)简答每条1分，其他合理答案也给分 ‎(3)写名称不给分，多写此空判0分 ‎(4)写化学式不给分，出现白字不给分 ‎(5)漏写离子符号不给分 ‎(6)不配平不得分，漏写条件扣1分 ‎【解法指导】‎ ‎1．制备过程中原料预处理的5种常用方法 看方法 想目的 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，加快反应速率 水浸 与水接触反应或溶解 酸浸 与酸接触反应或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去 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 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.制备过程中控制反应条件的6种方法 看方法 想目的 调节溶液的pH 常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀 控制温度 根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动 控制压强 改变速率，影响平衡 使用合适 的催化剂 改变反应速率，控制达到平衡所需要的时间 趁热过滤 防止某物质降温时析出 冰水洗涤 洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗 ‎[注意]　调节pH所需的物质一般应满足两点：‎ ‎①能与H＋反应，使溶液pH变大；‎ ‎②不引入新杂质。例如若要除去Cu2＋中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH，不可加入NaOH溶液、氨水等。‎ ‎[体验感悟]‎ ‎1．(2013·全国新课标Ⅰ，27)‎ 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应为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(部分条件未给出)。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)LiCoO2中，Co元素的化合价为__________。‎ ‎(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式____________________。‎ ‎(3)“酸浸”一般在80 ℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式____________________；可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是______________________。‎ ‎(4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式______________________。‎ ‎(5)充放电过程中，发生LiCoO2与Li1－xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式________________________。‎ ‎(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，可回收到的金属化合物有________________ (填化学式)。‎ 解析　(1)依据化合价代数和等于零可计算Co的化合价为＋3价。‎ ‎(2)由正极碱浸后的物质变化流程可知，滤液中获取Al(OH)3，滤渣再经一系列变化得Li2SO4、CoSO4，可推知正极碱浸时只有铝被NaOH溶解。‎ ‎(3)碱浸后所得滤渣LiCoO2中Co的化合价为＋3价，而酸浸后生成CoSO4中Co的化合价为＋2价，显然H2O2是还原剂，氧化产物只能是O2；又H2O2‎ 具有不稳定性，受热易分解，也属于氧化还原反应。‎ ‎(4)沉钴这一步，反应物为CoSO4、NH4HCO3，生成物中有CoCO3必然产生大量H＋，而HCO与H＋又不能大量共存，继续反应产生CO2。此题容易忽视HCO与H＋的继续反应，澄清了这些问题，再利用质量守恒定律，就能顺利写出化学方程式。‎ ‎(5)依据充电时正极的物质变化，可写出放电时的电极反应：‎ Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2‎ 依据负极充电的电极反应，写出放电时电极反应 LixC6－xe－===6C＋xLi＋，以上两个电极反应相加，即得总方程式。‎ ‎(6)“放电处理”的一个重要目的是“回收锂”，Li＋要沉积正极。解答这一问题的关键是Li＋怎样沉积在正极上的。放电时，离子运动的方向是“正向正，负向负”。从流程的最终产物上很容易找到回收的金属化合物：Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4。‎ 答案　(1)＋3‎ ‎(2)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑(或2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑)‎ ‎(3)2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O,2H2O22H2O＋O2↑　有氯气生成污染较大 ‎(4)CoSO4＋2NH4HCO3===CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑‎ ‎(5)Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋6C ‎(6)Li＋从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进入正极材料中　Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4‎ ‎2．(2016·四川理综，11节选)资源的高效利用对保护环境、促进经济持续健康发展具有重要作用。磷尾矿主要含Ca5(PO4)3F和CaCO3·MgCO3。某研究小组提出了磷尾矿综合利用的研究方案，制备具有重要工业用途的CaCO3、Mg(OH)2、P4和H2，其简化流程如下：‎ 已知：①Ca5(PO4)3F在950 ℃不分解；‎ ‎②4Ca5(PO4)3F＋18SiO2＋30C2CaF2＋30CO＋18CaSiO3＋3P4。‎ 请回答下列问题：‎ ‎(1)950 ℃煅烧磷尾矿生成气体的主要成分是________。‎ ‎(2)实验室过滤所需的玻璃仪器是________。‎ ‎(3)NH4NO3溶液能从磷矿Ⅰ中浸取出Ca2＋的原因是 ‎_________________________________________________________。‎ ‎(4)在浸取液Ⅱ中通入NH3，发生反应的化学方程式是 ‎____________________________________________________________。‎ 解析　(1)磷尾矿中除Ca5(PO4)3F外还有CaCO3·MgCO3，950 ℃时Ca5(PO4)3F不分解，CaCO3·MgCO3分解生成CaO、MgO和CO2。(2)过滤需要的玻璃仪器有烧杯、漏斗和玻璃棒。(3)NH4NO3溶液因NH水解使溶液呈酸性，溶解CaO、Ca(OH)2，使之转化为Ca2＋。(4)由图可知浸取液中通NH3将Mg2＋转化为Mg(OH)2沉淀。‎ 答案　(1)CO2　(2)烧杯、漏斗、玻璃棒 ‎(3)NH水解使溶液呈酸性，与CaO、Ca(OH)2反应生成Ca2＋‎ ‎(4)MgSO4＋2NH3＋2H2O===Mg(OH)2↓＋(NH4)2SO4‎ ‎【解题策略】‎ 化工流程题中表述性词汇“八大答题方向”‎ 化工生产流程和综合实验题中经常会出现一些表述性词语中，这些表述性词语就是隐性信息，它可以暗示我们所应考虑的答题角度。常见的有：‎ ‎(1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发、物质的不稳定性和物质的转化等。‎ ‎(2)“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、产率等。‎ ‎(3)“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或是否影响产品的纯度。‎ ‎(4)“在空气中或在其他气体中”——主要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或达到防氧化、防水解、防潮解等目的。‎ ‎(5)“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试管中，向其中滴加某试剂，以检验其中的某种离子。‎ ‎(6)“检验某物质的设计方案”‎ ‎——通常取少量某液体于试管中，加入另一试剂产生某现象，然后得出结论。‎ ‎(7)“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。‎ ‎(8)“用某些有机试剂清洗”——常考虑降低物质溶解度有利于析出、减少损耗和提高利用率等。‎ 微点聚焦二　以分离提纯为目的的工艺流程 ‎[典题示例]‎ ‎【示例2】 从废钒催化剂(主要成分V2O5、VOSO4、K2SO4、SiO2等)中回收V2O5的一种生产工艺流程示意图如下，请回答下列问题：‎ ‎(1)步骤①中废渣的主要成分是________，③中X试剂为________。‎ ‎(2)实验室中进行萃取分液操作时，注入萃取剂，充分振荡，将分液漏斗于铁圈上静置，当液体分层后，接下来的操作是_________________________ _______________________________________________。‎ ‎(3)②③的变化过程可简化为(下式R表示VO2＋，HA表示有机萃取剂)R2(SO4)n(水层)＋2nHA(有机层)2RAn(有机层)＋nH2SO4(水层)‎ 为提高②中萃取百分率，应采取的措施是____________________________ ____________________________________________。‎ ‎(4)请完成④中的反应离子方程式：‎ ClO＋VO2＋＋H＋===VO3＋＋________＋________。‎ ‎(5)25 ℃时，取样进行实验分析，得到钒沉淀率和溶液pH之间关系如下表：‎ pH ‎1.3‎ ‎1.4‎ ‎1.5‎ ‎1.6‎ ‎1.7‎ ‎1.8‎ ‎1.9‎ ‎2.0‎ ‎2.1‎ 钒沉 淀率%‎ ‎88.1‎ ‎94.8[来源:学科网ZXXK]‎ ‎96.5‎ ‎98.0‎ ‎98.8‎ ‎98.8‎ ‎96.4‎ ‎93.1‎ ‎89.3‎ 结合上表，在实际生产中，⑤中加入氨水，调节溶液的最佳pH为________。‎ ‎(6)该工艺流程中，可以循环利用的物质有________。‎ 思维提示　‎ 标准答案　(1)SiO2　H2SO4　(2)打开分液漏斗上口塞子(或将分液漏斗上口塞子凹槽对准漏斗口颈上小孔)；先打开活塞放出下层液体，后将上层液体从分液漏斗上口倒入另一烧杯中　(3)加入碱中和硫酸使平衡正移或多次连续萃取　(4)1　6　6　6　1　Cl－　3　H2O　(5)1.7～1.8　(6)氨气、有机萃取剂 ‎【解题方法】‎ ‎1．把握物质提纯的“6种”常用方法 看目的 选方法 除去可溶性杂质 水溶法 除去碱性杂质 酸溶法 除去酸性杂质 碱溶法 除去还原性或氧化性杂质 氧化还原法 除去受热易分解或易挥发的杂质 加热灼烧法 除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等 调pH法 ‎2.正确选择物质分离的“6种”常用方法 看目的 选方法 分离难溶物质和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法 过滤 ‎(热滤或抽滤)‎ 利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提纯分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴 萃取和分液 提纯溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl 蒸发结晶 提纯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 冷却结晶 分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油 蒸馏与分馏 利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气 冷却法 ‎[体验感悟]‎ ‎1．(2016·北京理综，27)以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。其工作流程如下：‎ ‎(1)过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是_____________________________________________________。‎ ‎(2)过程Ⅰ中，Fe2＋催化过程可表示为：‎ ⅰ：2Fe2＋＋PbO2＋4H＋＋SO===2Fe3＋＋PbSO4＋2H2O ⅱ：……‎ ‎①写出ⅱ的离子方程式：_______________________________________。‎ ‎②下列实验方案可证实上述催化过程。将实验方案补充完整。‎ a．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。‎ b．_____________________________________________。‎ ‎(3)PbO溶解在NaOH溶液中，存在平衡：PbO(s)＋NaOH(aq)NaHPbO2(aq)，其溶解度曲线如图所示。‎ ‎①过程Ⅱ的目的是脱硫。滤液1经处理后可在过程Ⅱ中重复使用，其目的是________(选填序号)。‎ A．减少PbO的损失，提高产品的产率 B．重复利用NaOH，提高原料的利用率 C．增加Na2SO4浓度，提高脱硫效率 ‎②过程Ⅲ的目的是提纯。结合上述溶解度曲线，简述过程Ⅲ的操作：______________________________________________________。‎ 解析　(1)由题意可知，过程Ⅰ中，在Fe2＋催化下，Pb、PbO2和H2SO4反应生成PbSO4和H2O，Pb与PbO2在酸性条件下发生氧化还原反应，Pb为还原剂，PbO2为氧化剂，PbSO4既是氧化产物又是还原产物，化学方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。‎ ‎(2)①催化剂在反应前后本身的质量和化学性质保持不变，但参加反应，反应特点是先消耗再生成，且消耗与生成的量相等。Fe2＋为该反应的催化剂，又知反应ⅰ中Fe2＋被PbO2氧化为Fe3＋，则在反应ⅱ中Fe3＋与Pb反应生成Fe2＋，离子方程式为2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋；②a实验证明发生反应ⅰ生成Fe3＋，则b实验需证明发生反应ⅱ，Fe3＋转化为Fe2＋，实验方案为取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，充分反应，红色褪去。‎ ‎(3)①过程Ⅱ的目的是脱硫。化学方程式为PbSO4＋2NaOH===PbO＋Na2SO4＋H2O；滤液1中含有未反应的NaOH和少量溶解的PbO，经处理后可重复利用减少PbO的损失，同时能提高NaOH的利用率。②利用PbO不同温度下在不同氢氧化钠溶液中的溶解度曲线，可向PbO粗品中加入35%的NaOH溶液，加热至高温(110 ℃)，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤可得PbO固体。[来源:学,科,网]‎ 答案　(1)Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O ‎(2)①2Fe3＋＋Pb＋SO===PbSO4＋2Fe2＋　②取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，红色褪去 ‎(3)①AB　②向PbO粗品加入一定量的35%NaOH溶液，加热至110 ℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤得到PbO固体 ‎2.(2016·课标全国Ⅲ，28)以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5‎ ‎)是接触法生产硫酸的催化剂。从废矾催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为：‎ 物质 V2O5‎ V2O4‎ K2SO4‎ SiO2‎ Fe2O3‎ Al2O3‎ 质量分数/%‎ ‎2.2～2.9‎ ‎2.8～3.1‎ ‎22～28‎ ‎60～65‎ ‎1～2‎ ‎<1‎ 以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)“酸浸”时V2O5转化为VO，反应的离子方程式为_________________ _______________________，同时V2O4转化成VO2＋。“废渣1”的主要成分是________。‎ ‎(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2＋变为VO，则需要氧化剂KClO3至少为________ mol。‎ ‎(3)“中和”作用之一是使钒以V4O形式存在于溶液中。“废渣2”中含有________。‎ ‎(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：4ROH＋V4OR4V4O12＋4OH－(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈________性(填“酸”、“碱”或“中”)。‎ ‎(5)“流出液”中阳离子最多的是________。‎ ‎(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式___________________________________。‎ 解析　(1)“酸浸”时V2O5转化为VO，前后V元素化合价不变，说明没有发生氧化还原反应，则反应的离子方程式为V2O5＋2H＋===2VO＋H2O。由于SiO2与H2SO4不反应，故滤渣1的主要成分为SiO2。(2)VO2＋变为VO，V的化合价由＋4价升高到＋5价，转移1e－，而氧化剂KClO3则被还原为KCl，化合价由＋5价降低为－1价，转移6e－，故欲使3 mol VO2＋变为VO，需氧化剂KClO3的物质的量至少为3 mol×1÷6＝0.5 mol。(3)酸浸并用KClO3氧化后的溶液中含有的Fe3＋、Al3＋在中和时生成Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀，所以“废渣2”‎ 中含有Fe(OH)3、Al(OH)3。(4)由题意知逆反应是洗脱，在碱性环境中有利于向洗脱方向进行，故淋洗液应呈碱性。(5)由于前面加入了KClO3、KOH，所以流出液中阳离子最多的是K＋。(6)根据原子守恒可知偏钒酸铵“煅烧”生成五氧化二钒、氨气和水蒸气，发生反应的化学方程式为2NH4VO3V2O5＋H2O↑＋2NH3↑。‎ 答案　(1)V2O5＋2H＋===2VO＋H2O　SiO2　(2)0.5‎ ‎(3)Fe(OH)3、Al(OH)3　(4)碱　(5)K＋‎ ‎(6)2NH4VO3V2O5＋H2O↑＋2NH3↑‎ ‎【解题程序】[来源:Z#xx#k.Com]‎ ‎1．读流程图 ‎(1)箭头：箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。‎ ‎(2)三线：出线和进线均表示物料流向或操作流程，可逆线表示物质循环。‎ ‎2．解题要点 ‎(1)审题要点：①了解生产目的、原料及产品，②了解题目提供的信息，③分析各步的反应条件、原理及物质成分，④理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。‎ ‎(2)答题切入点：①原料及产品的分离提纯，②生产目的及反应原理，③生产要求及反应条件，④有关产率、产量及组成的计算，⑤绿色化学。‎