2019届一轮复习人教版无机化学工艺流程学案(1) 14页

难点增分课(一)　无机化学工艺流程 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没问，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、分离或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，是近几年高考化学试题的常考题型。‎ 题型一　以物质制备为目的的化学工艺流程 ‎1．原料处理阶段的常见考查点 ‎(1)加快反应速率 ‎(2)溶解：通常用酸溶。如用硫酸、盐酸、浓硫酸等。‎ ‎(3)灼烧、焙烧、煅烧：改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质高温下氧化、分解。‎ ‎2．分离提纯阶段的常见考查点 ‎(1)调pH除杂 ‎①控制溶液的酸碱性使其中的某些金属离子形成氢氧化物沉淀。如若要除去Al3＋、Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调溶液的pH。‎ ‎②调节pH所需的物质一般应满足两点：一能与H＋反应，使溶液pH增大；二不引入新杂质。例如，若要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。‎ ‎(2)加热：加快反应速率或促进平衡向某个方向移动。‎ 如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物，则要注意对温度的控制。如侯氏制碱法中的NaHCO3；还有如H2O2、‎ Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质。‎ ‎(3)降温：防止某物质在高温时溶解(或分解)；为使化学平衡向着题目要求的方向移动。‎ ‎3．获得产品阶段的常见考查点 ‎(1)洗涤(冰水，热水)：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；乙醇洗涤既可洗去晶体表面的杂质，又可减少晶体溶解的损耗。‎ ‎(2)蒸发时的气体氛围抑制水解：如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCl的气流中加热，以防其水解。‎ ‎(3)蒸发浓缩、冷却结晶：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若将混合溶液加热蒸发后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，这样就可分离出大部分K2Cr2O7；同样原理可除去KNO3中的少量NaCl。‎ ‎(4)蒸发结晶、趁热过滤：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若将混合溶液蒸发一段时间，析出的固体主要是NaCl，同样原理可除去NaCl中的少量KNO3。‎ ‎【典例1】　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)的工艺流程如下所示：‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)写出Mg2B2O5·H2O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__________________________________(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_________‎ ‎________________________________________________________。‎ ‎【解题流程】‎ 答案：(1)Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42H3BO3＋2MgSO4　提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径 ‎(2)Fe3O4　SiO2和CaSO4‎ ‎(3)将Fe2＋氧化成Fe3＋　使Fe3＋与Al3＋形成氢氧化物而除去 ‎(4)(七水)硫酸镁 ‎(5) ‎ ‎ (6)2H3BO3B2O3＋3H2O、3Mg＋B2O33MgO＋2B ‎【专项训练】‎ ‎1．(2017·高考全国卷Ⅰ)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(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，所采用的实验条件为________________。‎ ‎(2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl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40 min所得实验结果如下表所示：‎ 温度/℃‎ ‎30‎ ‎35‎ ‎40‎ ‎45‎ ‎50‎ TiO2·xH2O转化率/%‎ ‎92‎ ‎95‎ ‎97‎ ‎93‎ ‎88‎ 分析40 ℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因_________________‎ ‎_________________________________________________________。‎ ‎(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＋)＝0.02 mol·L－1，加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍)，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5 mol·L－1，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？__________________________________________________________‎ ‎(列式计算)。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 ‎________________________。‎ 解析：(1)由图示可知，“酸浸”时铁的浸出率为70%时所需要的时间最短，速率最快，则应选择在100 ℃、2 h,90 ℃，5 h下进行；‎ ‎(2)“酸浸”时用盐酸溶解FeTiO3生成TiOCl时，发生反应的离子方程式为FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl＋2H2O；‎ ‎(3)温度是影响转化率的主要因素，但H2O2在高温下易分解、氨水易挥发，即原因是低于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转化率下降；‎ ‎(4)Li2Ti5O15中Li为＋1价，O为－2价，Ti为＋4价，过氧根(O)中氧元素显－1价，设过氧键的数目为x，根据元素正负化合价代数和为0，可知(＋1)×2＋(＋4)×5＋(－2)×(15－2x)＋(－1)×2x＝0，解得：x＝4；‎ ‎(5)Ksp[FePO4]＝c(Fe3＋)×c(PO)＝1.3×10－22，则c(PO)＝＝1.3×10－17 mol/L，Qc[Mg3(PO4)2]＝c3(Mg2＋)×c2(PO)＝0.013×(1.3×10－17)2＝1.69×10－40＜1.0×10－34，则无沉淀。‎ ‎(6)高温下FePO4与Li2CO3和H2C2O4混合加热可得LiFePO4，根据电子守恒和原子守恒可得此反应的化学方程式为2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O42LiFePO4＋H2O↑＋3CO2↑。‎ 答案：(1)100 ℃、2 h或90 ℃、5 h ‎(2)FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl＋2H2O ‎(3)低于40 ℃，TiO2·xH2O转化反应速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转化率下降　(4)4‎ ‎(5)Fe3＋恰好沉淀完全时，c(PO)＝ mol·L－1＝1.3×10‎ ‎－17 mol·L－1，c3(Mg2＋)·c2(PO)＝0.013×(1.3×10－17)2＝1.69×10－40＜Ksp[Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。‎ ‎(6)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O42LiFePO4＋3CO2↑＋H2O↑‎ 题型二　以分离提纯为目的的化学工艺流程 ‎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 ‎【典例2】　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。从废钒催化剂中回收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_______________________________________。‎ ‎【解题流程】‎ 答案：(1)V2O5＋2H＋===2VO＋H2O　SiO2　(2)0.5　(3)Fe(OH)3和Al(OH)3　(4)碱　(5)K＋‎ ‎(6)2NH4VO3V2O5＋H2O↑＋2NH3↑‎ ‎【专项训练】‎ ‎2．(2017·高考全国卷Ⅲ)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＋NaNO3Na2CrO4＋Fe2O3＋CO2＋ NaNO2‎ 上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为__________。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____________________(用离子方程式表示)。‎ ‎(4)有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KCl，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到________________(填标号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。‎ a．80 ℃　　 b．60 ℃‎ c．40 ℃　　　 d．10 ℃‎ 步骤⑤的反应类型是________________。‎ ‎(5)某工厂用m1 kg铬铁矿粉(含Cr2O340%)制备K2Cr2O7，最终得到产品m2 kg，产率为____________。‎ 解析：(1)FeO·Cr2O3是还原剂，完全氧化为Na2CrO4和Fe2O3，每摩尔FeO·Cr2O3转移7 mol电子，而NaNO3是氧化剂，还原产物为NaNO2，每摩尔NaNO3转移2 mol电子，根据电子守恒可知，FeO·Cr2O3和NaNO3的系数比为2∶7；陶瓷在高温下会与Na2CO3反应，所以熔融时不能使用陶瓷容器；‎ ‎(2)熔块中氧化铁不溶于水，过滤后进入滤渣1，则滤渣1中含量最多的金属元素是铁；滤液1中含有AlO、SiO及CrO，调节溶液pH并过滤后得滤渣2为Al(OH)3，及含硅杂质；‎ ‎(3)滤液2调节pH的目的是提高溶液的酸性，pH变小；因为溶液中存在2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O，增大溶液中H＋浓度，可促进平衡正向移动，提高溶液中Cr2O的浓度；‎ ‎(4)由图示可知，在10 ℃左右时，得到K2Cr2O7的固体最多，故答案为d；2KCl＋Na2Cr2O7===K2Cr2O7↓＋2NaCl的反应类型为复分解反应；‎ ‎(5)样品中Cr2O3的质量为m1×40% kg，则生成K2Cr2O7的理论质量为m1×40% kg×，则所得产品的产率为m2 kg÷×100%＝×100%。‎ 答案：(1)2∶7　陶瓷在高温下会与Na2CO3反应 ‎ ‎(2)Fe　Al(OH)3‎ ‎(3)小　2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O ‎(4)d　复分解反应 ‎(5) ×100%‎