2021届高考化学一轮复习无机化工生产流程题的解题策略 15页

无机化工生产流程题的解题策略 ‎【典题1】(2018·全国卷Ⅰ)磷酸亚铁锂(LiFePO4)电池是新能源汽车的动力电池之一。采用湿法冶金工艺回收废旧磷酸亚铁锂电池正极片中的金属,其流程如下:‎ 下列叙述错误的是 (　　)‎ A.合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用 B.从“正极片”中可回收的金属元素有Al、Fe、Li C.“沉淀”反应的金属离子为Fe3+‎ D.上述流程中可用硫酸钠代替碳酸钠 ‎【精析】A项,由于废旧电池中含有重金属离子等物质,所以合理处理废旧电池有利于保护环境和资源再利用;B项,根据流程可知,正极片中的金属元素主要有Al、Fe、Li三种,所以从“正极片”中可回收的金属元素有Al、Fe、Li;C项,由于含磷酸亚铁锂滤渣被混酸溶解,而混酸具有强氧化性,所以溶解后铁元素以Fe3+的形式存在,故“沉淀”反应的金属离子为Fe3+;D项,由于硫酸锂是可溶性盐,所以用硫酸钠代替碳酸钠无法沉淀锂离子。‎ 答案:D ‎【典题2】(2019·全国卷Ⅰ)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:‎ 回答下列问题:‎ ‎(1)在‎95 ℃‎“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为 ‎ ______________________。 ‎ ‎(2)“滤渣‎1”‎的主要成分有________。为检验“过滤‎1”‎后的滤液中是否含有Fe3+离子,可选用的化学试剂是________。 ‎ ‎(3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3+H2OH++B(OH,Ka=5.81×10-10,可判断H3BO3是________酸;在“过滤‎2”‎前,将溶液pH调节至3.5,目的是____________ __。 ‎ ‎(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为 ____________, ‎ 母液经加热后可返回________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是______________。 ‎ ‎【精析】(1)在‎95 ℃‎“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体为NH3,其在“吸收”中发生的反应主要是氨气与碳酸氢铵的反应,故反应的化学方程式为NH4HCO3+NH3 (NH4)2CO3。‎ ‎(2)用硫酸铵溶液溶浸过程中主要反应的物质为Mg2B2O5·H2O,故溶浸后产生的滤渣1的主要成分是SiO2、Fe2O3、Al2O3,检验Fe3+可选用的化学试剂是KSCN。‎ ‎(3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3+H2OH++B(OH可知,H3BO3是一元酸,根据其Ka值可以判断是弱酸,故H3BO3是一元弱酸;根据流程图可知“过滤‎2”‎主要得到的是H3BO3,所以将溶液pH调节至3.5,由于H3BO3是一元弱酸,故主要目的是调节溶液至酸性,促进H3BO3析出。‎ ‎(4)“沉镁”过程主要是镁离子与碳酸铵发生的反应,故反应的离子方程式为2Mg2++‎3C+2H2OMg(OH)2·MgCO3↓+2HC或2Mg2++‎2C+H2O Mg(OH)2·MgCO3↓+CO2↑;由于在最后过程中铵根离子和硫酸根离子没有参与反应,所以在母液中主要含有上述两种离子,所以加热后对应的碳酸铵、二氧化碳等挥发,溶液中最终剩余的是硫酸铵,所以可以返回“溶浸”环节中继续使用;碱式碳酸镁高温煅烧之后会发生分解最终变成氧化镁。‎ 答案:(1)NH4HCO3+NH3(NH4)2CO3‎ ‎(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN ‎(3)一元弱　转化为H3BO3,促进析出 ‎(4)2Mg2++‎3C+2H2OMg(OH)2·MgCO3↓+2HC ‎(或2Mg2++‎2C+H2OMg(OH)2·MgCO3↓+CO2↑)‎ 溶浸　高温焙烧 一、物质制备类化工流程题 ‎1.明确制备类化工生产流程的特点 一个完整的化工生产流程一般具有下列特点 ‎2.熟悉常用的操作方法及其作用 ‎(1)对原料进行预处理的常用方法及其作用。‎ ‎(2)常用的控制反应条件的方法 ‎①调节溶液的pH。常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点:‎ a.能影响溶液酸碱性,使pH增大或减小。‎ b.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、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH,不可加入NaOH溶液、氨水等。‎ ‎②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。‎ ‎③趁热过滤。防止某物质降温时会析出。‎ ‎④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。‎ ‎3.识别流程图 化工流程中箭头指出的是投料(反应物),箭头指向的是生成物(包括主产物和副产物),返回的箭头一般是被“循环利用”的物质。‎ 二、提纯类化工流程题 ‎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.明确常用的提纯方法 ‎(1)水溶法:除去可溶性杂质。‎ ‎(2)酸溶法:除去碱性杂质。‎ ‎(3)碱溶法:除去酸性杂质。‎ ‎(4)氧化剂或还原剂法:除去还原性或氧化性杂质。‎ ‎(5)加热灼烧法:除去受热易分解或易挥发的杂质。‎ ‎(6)调节溶液的pH法:如除去酸性铜盐溶液中的Fe3+等。‎ ‎3.明确常用的分离方法 ‎(1)过滤。‎ ‎(2)萃取和分液。‎ ‎(3)蒸发结晶。‎ ‎(4)冷却结晶。‎ ‎(5)蒸馏或分馏。‎ ‎(6)冷却法。‎ ‎1.铅及其化合物有着优异的性能和广泛的应用。工业上利用铅浮渣(主要成分是PbO、Pb,还含有少量的Ag、CaO) 可制备硫酸铅。制备流程图如下:‎ 已知:Ksp(PbSO4)=1.6×10-8　Ksp(CaSO4)=4.9×10-5‎ ‎(1)步骤Ⅰ有NO产生,浸出液中含量最多的金属阳离子为Pb2+,写出Pb参加反应的化学方程式________________, 为防止Ag被溶解进入溶液,步骤Ⅰ操作时应注意______________________。 ‎ ‎(2)粗PbSO4产品含有的杂质是__________;要得到纯净的PbSO4,需要用试剂进行多次洗涤,再用蒸馏水洗涤。最好选用的试剂是________________。 ‎ A.稀硫酸　　　　　　　 B.稀盐酸 C.硝酸铅溶液 D.酒精 ‎(3)母液可循环利用的物质是HNO3,若母液中残留的S过多,循环利用时可能出现的问题是_______________________。 ‎ ‎(4)若将步骤Ⅱ中的Pb2+完全沉淀,则溶液中的c(S)至少为_______ mol·L-1。 ‎ ‎(5)(CH3COO)2Pb是皮毛行业的染色助剂,可用PbSO4与CH3COONH4反应制备,写出反应的离子方程式 ____________________________________________。 ‎ ‎【解析】 (1)铅与硝酸反应生成一氧化氮和硝酸铅,反应的方程式为3Pb+8HNO3 3Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O,当铅过量时银不能溶解,所以为防止Ag被溶解进入溶液,步骤Ⅰ操作时应注意控制硝酸的用量并使Pb稍有剩余,故答案为3Pb+8HNO3 3Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O;控制硝酸的用量并使Pb稍有剩余;‎ ‎(2)根据流程可知,粗PbSO4 产品含有的杂质是CaSO4,可以用Pb(NO3)2溶液洗涤除去;‎ ‎(3)硝酸铅与硫酸反应生成硫酸铅和硝酸,硝酸可用于循环利用,若母液中残留的 S过多,在步骤Ⅰ中就会有硫酸铅沉淀出现,会随浸出渣排出,故答案为浸出时部分Pb2+生成PbSO4随浸出渣排出,降低PbSO4的产率;‎ ‎(4)Pb2+完全转化成PbSO4沉淀离子浓度小于10-5 mol·L-1,Ksp(PbSO4)=1.6×10-8,则c(S)= = =1.6×10-3 mol·L-1,故答案为1.6×‎ ‎10-3 mol·L-1;‎ ‎(5)(CH3COO)2Pb是皮毛行业的染色助剂,可用PbSO4 与CH3COONH4反应制备,硫酸铅难溶于水,反应的离子方程式为PbSO4+2CH3COO-(CH3COO)2Pb + S,故答案为PbSO4+2CH3COO-(CH3COO)2Pb + S。‎ 答案:(1) 3Pb+8HNO33Pb(NO3)2+2NO↑+4H2O　控制硝酸的用量并使铅浮渣(或Pb)稍有剩余(其他合理答案均给分:硝酸不足、浮渣过量、Pb过量、Pb稍有剩余)‎ ‎(2)CaSO‎4　‎C ‎(3) 浸出时部分Pb2+生成PbSO4随浸出渣排出,降低PbSO4的产率 ‎(4)1.6×1‎ ‎(5)PbSO4+2CH3COO-(CH3COO)2Pb+S ‎2.高纯六水氯化锶晶体(SrCl2·6H2O)具有很高的经济价值,工业上用难溶于水的碳酸锶(SrCO3)为原料(含少量钡和铁的化合物等),制备高纯六水氯化锶晶体的过程为 已知:Ⅰ.SrCl2·6H2O晶体在‎61℃‎时开始失去结晶水,‎100℃‎时失去全部结晶水。‎ Ⅱ.有关氢氧化物开始沉淀和完全沉淀的pH如表所示:‎ 氢氧化物 Fe(OH)3‎ Fe(OH)2‎ 开始沉淀的pH ‎1.5‎ ‎6.5‎ 沉淀完全的pH ‎3.7‎ ‎9.7‎ ‎(1)操作①增大反应速率的措施有________(写一种)。碳酸锶与盐酸反应的离子方程式为_____________________________________。 ‎ ‎(2)酸性条件下,加入30%H2O2溶液,将Fe2+氧化成Fe3+,其离子方程式为 ‎_____________________________________。 ‎ ‎(3)在步骤②～③的过程中,将溶液的pH由1调节至4时,宜用的试剂为________。 ‎ A.氨水　　　　　　　 B.氢氧化锶粉末 C.氢氧化钠 D.碳酸钠晶体 ‎(4)操作③中所得滤渣的主要成分是________(填化学式)。 ‎ ‎(5)步骤④的操作是________________、 ________________。 ‎ ‎(6)工业上用热风吹干六水氯化锶,适宜的温度是_______________________。 ‎ A.50～‎60 ℃‎ B.70～‎‎80 ℃‎ C.80～‎100 ℃‎ D‎.100 ℃‎以上 ‎【解析】(1)操作①是让难溶于水的工业碳酸锶与盐酸反应使其更快的溶解在溶液中,所以增大反应速率的措施有:升高温度,充分搅拌让碳酸锶与盐酸进行更大的接触以增大反应速率,增大溶液的浓度等。(3)调节pH是让Fe3+形成Fe(OH)3而沉淀析出,当加入试剂时不要引入新的杂质,故最好是氢氧化锶粉末。(4)操作③之前加入了硫酸使Ba2+形成BaSO4,加入双氧水使Fe2+完全氧化为Fe3+,通过调节pH使Fe3+完全以Fe(OH)3的形式析出,故滤渣的主要成分是Fe(OH)3、BaSO4。(5)步骤④是从溶液中得到晶体,故操作是蒸发浓缩、冷却结晶。(6)因SrCl2·6H2O晶体在‎61℃‎时开始失去结晶水,所以温度不能超过‎61℃‎,故适宜的温度选择A。‎ 答案:(1)加热、充分搅拌、适当增大盐酸浓度等(任写一种)‎ SrCO3+2H+Sr2++CO2↑+H2O ‎(2)2Fe2++H2O2+2H+2Fe3++2H2O ‎(3)B　(4)Fe(OH)3、BaSO4　‎ ‎(5)蒸发浓缩　冷却结晶　(6)A ‎【加固训练】‎ ‎　　1.利用废旧电池铜帽(含Cu、Zn)制取海绵铜(Cu),并得到硫酸锌溶液的主要流程如下(反应条件已略去):‎ 已知:2Cu+2H2SO4+O22CuSO4+2H2O 下列说法不正确的是 (　　)‎ A.过程Ⅱ中操作的名称为过滤,该操作过程中使用到的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒 B.溶液A中的溶质有H2SO4、CuSO4、ZnSO4‎ C.上述流程中加入的物质B为锌,物质D为盐酸 D.A～E中含铜、锌两种元素的物质有A和C ‎【解析】选C。通过分析转化流程可知,含Cu、Zn的铜帽与稀硫酸和氧气反应生成了硫酸铜和硫酸锌的混合液A,依据实验的目的,为了得到铜和硫酸锌,应向A溶液中加入过量的锌,通过过滤得到硫酸锌溶液和铜锌的固体混合物C,为了得到铜和硫酸锌,应加入稀硫酸。过滤的方法可以将固体和液体分离,过程Ⅱ是为了分离固体和液体,所以操作的名称是过滤,‎ 过滤操作需要的玻璃仪器有烧杯、漏斗、玻璃棒,故A正确;通过题中的反应流程可知,铜、氧气和硫酸会生成硫酸铜,硫酸和锌会生成硫酸锌,硫酸一般是过量的,所以溶液A中的溶质有H2SO4、CuSO4、ZnSO4,故B正确;应向A溶液加入过量的锌,通过过滤得到硫酸锌溶液和铜锌的固体混合物C,为了得到铜和硫酸锌,应加入稀硫酸,故C错误;通过上述分析可知,溶液A是硫酸、硫酸铜和硫酸锌的混合物,固体C是铜和锌的混合物,所以含铜、锌两种元素的物质有A、C,故D正确。‎ ‎2.以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3,还含有少量FeS2)为原料,生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如图,下列叙述不正确的是 (　　)‎ A.加入CaO可以减少SO2的排放 B.向滤液中通入过量CO2,然后过滤、洗涤可制得Al2O3‎ C.隔绝空气焙烧时发生了氧化还原反应 D.烧渣研磨后分离可以选择“磁选”‎ ‎【解析】选B。SO2是酸性氧化物,可与CaO反应生成CaSO3,A正确;滤液的主要成分是NaAlO2,通入过量的二氧化碳,生成氢氧化铝:CO2(过量)+2H2O+NaAlO2 Al(OH)3↓+NaHCO3,B不正确;隔绝空气焙烧时FeS2被氧化为SO2,反应中Fe2O3作氧化剂,故为氧化还原反应,C正确;结合Fe3O4的磁性,可通过“磁选”进行分离,D正确。‎ ‎3.(2019·桂林模拟)SO2通过下列工艺流程可制备化工原料硫酸和清洁能源H2‎ 下列说法中不正确的是 (　　)‎ A.设备A中的溴水褪色,体现了SO2的还原性 B.该生产工艺的优点:Br2可以循环利用,并获得清洁能源H2‎ C.该工艺流程的总反应方程式为SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr D.设备C中是否残余硫酸,可在C的样品溶液中加入BaCl2溶液,观察是否有沉淀 ‎【解析】选C。A项,设备A中的溴水褪色,发生反应:SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr,体现了SO2的还原性;B项,根据转化关系图可判断该生产工艺的优点:Br2可以循环利用,并获得清洁能源H2;C项,由于溴单质可以循环利用,生成物实际上是硫酸和氢气,所以该工艺流程的总反应方程式为SO2+2H2OH2SO4+H2;D项,设备C中是否残余硫酸,可在C的样品溶液中加入BaCl2溶液,观察是否有沉淀。‎ ‎4.(2017·海南高考)以工业生产硼砂所得废渣硼镁泥为原料制取MgSO4·7H2O的过程如图所示:‎ 硼镁泥的主要成分如表:‎ MgO SiO2‎ FeO、Fe2O3‎ CaO Al2O3‎ B2O3‎ ‎30%～40%‎ ‎20%～25%‎ ‎5%～15%‎ ‎2%～3%‎ ‎1%～2%‎ ‎1%～2%‎ 回答下列问题:‎ ‎(1)“酸解”时应该加入的酸是________,“滤渣‎1”‎中主要含有_______________ _______(写化学式)。 ‎ ‎(2)“除杂”时加入次氯酸钙、氧化镁的作用分别是______________、______________。 ‎ ‎(3)判断“除杂”基本完成的检验方法是 ______________________________。 ‎ ‎(4)分离“滤渣‎3”‎应趁热过滤的原因是 _______________________。 ‎ ‎【解析】(1)因为该流程的目的是制取MgSO4·7H2O,为防止引入杂质,所以“酸解”时加入的酸是稀硫酸。加入稀硫酸后,MgO、FeO、Fe2O3、Al2O3分别变成相应的可溶性硫酸盐,CaO变成CaSO4沉淀,而SiO2和B2O3不能和稀硫酸反应,随着CaSO4一同进入“滤渣1”。(2)溶液中的Fe2+具有强还原性,能够被次氯酸钙氧化成Fe3+,然后加入氧化镁中和过量的硫酸,调节溶液的pH,使溶液中的Fe3+和Al3+分别变成Fe(OH)3沉淀和Al(OH)3沉淀而被除去。(3)“除杂”基本完成时,溶液中没有Fe3+,可以取少量滤液于洁净的小试管中,加入KSCN溶液,若溶液不变红,则说明Fe3+被完全除去,“除杂”基本完成。‎ ‎(4)MgSO4的溶解度随温度的升高而增大,分离“滤渣‎3”‎时若温度降低,则会析出大量的MgSO4晶体,所以必须趁热过滤。‎ 答案:(1)稀硫酸　SiO2、B2O3、CaSO4‎ ‎(2)将Fe2+氧化成Fe3+　调节溶液的pH,使溶液中的Fe3+和Al3+分别变成Fe(OH)3沉淀和Al(OH)3沉淀而被除去　(3)取少量滤液于洁净的小试管中,加入KSCN溶液,若溶液不变红,则说明Fe3+被完全除去,“除杂”基本完成 ‎(4)防止温度降低时析出大量的MgSO4晶体 ‎5.用废铅蓄电池的铅泥(含PbSO4、PbO和Pb等)制备精细化工产品PbSO4·3PbO·H2O(三盐)的主要流程如图:‎ 已知:常温下,Ksp(PbSO4)≈2.0×10-8,Ksp(PbCO3)≈1.0×10-13。回答下列问题:‎ ‎(1)铅蓄电池在生活中有广泛应用,其工作原理是Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。铅蓄电池在充电时,阳极的电极反应式为______________________________。 ‎ 若铅蓄电池放电前,正、负极电极质量相等,如果放电时转移了1 mol电子,则理论上两电极质量之差为________。 ‎ ‎(2)将滤液1、滤液3合并,经蒸发浓缩、降温结晶、过滤等操作,得到一种结晶水合物(Mr=322),其化学式为__________________________。 ‎ ‎(3)步骤③酸溶时铅与硝酸反应生成Pb(NO3)2及NO的离子方程式为________ ______________;滤液2中溶质的主要成分为__________(写化学式)。 ‎ ‎(4)步骤⑥合成三盐的化学方程式为______________________________。 ‎ ‎(5)步骤⑦洗涤过程中,检验沉淀是否洗涤干净的方法是_______________ ___________。 ‎ ‎(6)在步骤①的转化中,若硫酸铅和碳酸铅在浊液中共存,则=________。 ‎ ‎【解析】(1)铅蓄电池在充电时,阳极上发生氧化反应,电极反应式为PbSO4+2H2O ‎-2e-PbO2+S+4H+。放电时,正极的电极反应式为PbO2+2e-+S+4H+‎ PbSO4+2H2O;负极的电极反应式为Pb-2e-+SPbSO4。若转移2 mol电子,则正极材料净增质量为m(PbSO4)-m(PbO2),负极材料净增质量为m(PbSO4)-m(Pb),二者质量之差=m(O2)=‎32 g,所以放电时转移1 mol电子,两极质量之差为‎16 g。‎ ‎(2)滤液1和滤液3的主要溶质是硫酸钠,由得到的结晶水合物的相对分子质量知,析出的结晶水合物为Na2SO4·10H2O。‎ ‎(3)铅与硝酸反应类似铜与硝酸反应,离子方程式为3Pb+8H++2N3Pb2++‎ ‎2NO↑+4H2O;沉铅反应为Pb(NO3)2+H2SO4PbSO4↓+2HNO3,故滤液2的溶质主要是HNO3。‎ ‎(4)加入氢氧化钠溶液,使硫酸铅转化成三盐,化学方程式为4PbSO4+6NaOH PbSO4·3PbO·H2O↓+3Na2SO4+2H2O。‎ ‎(5)沉淀表面有Na2SO4等杂质,检验沉淀是否洗涤干净,就是检验最后一次的洗涤液是否还含有S。‎ 操作方法是取少量最后一次洗涤液于洁净的试管中,向其中滴加硝酸酸化的Ba(NO3)2溶液,若产生白色沉淀,则沉淀未洗涤干净;否则,已洗涤干净。‎ ‎(6)PbSO4(s)和PbCO3(s)的浊液中:===2.0×105。‎ 答案:(1)PbSO4+2H2O-2e-PbO2+S+4H+　‎‎16 g ‎(2)Na2SO4·10H2O ‎(3)3Pb+8H++2N3Pb2++2NO↑+4H2O　HNO3‎ ‎(4)4PbSO4+6NaOH PbSO4·3PbO·H2O↓+3Na2SO4+2H2O ‎(5)取少量最后一次的洗涤液于洁净的试管中,向其中滴加硝酸酸化的Ba(NO3)2溶液,若产生白色沉淀,则沉淀未洗涤干净;否则,已洗涤干净 ‎(6)2.0×105‎