专题以流程图为基础的化工工艺综合题高考化学备考中等生百日捷进提升系列技能方法解析 13页

以流程图为基础的化工工艺综合题为近几年考查的高频题。试题一般以物质制备、污水处理、物质分离等化工工艺为基础，考查元素及化合物性质、化学反应基本原理、物质的分离提纯、化学计算等相关知识。在复习备考中，应该注重基础知识的掌握和基本的解题方法，在解题中应该从题设中新的信息中跳出来，找到考查的重点，运用相关知识，逐步解答。‎ ‎【例题1】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，加入双氧水和磷酸（设溶液体积增加1倍），使恰好沉淀完全即溶液中，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。‎ ‎（6）写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式 。‎ ‎【答案】（1）100℃、2h，90℃，5h （2）FeTiO3+ 4H++4Cl− = Fe2++ + 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转化反应速率下降 （4）4 ‎ ‎（5）Fe3+恰好沉淀完全时，c()=mol·L−1=1.3×10–17 mol·L−1，c3(Mg2+)×c2()＝(0.01)3×(1.3×10–17)2=1.7×10–40＜Ksp [Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。‎ ‎（6）2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O42LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑‎ ‎（3）温度是影响速率的主要因素，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转化反应速率下降；‎ ‎【名师点睛】工艺流程题，就是将化工生产过程中的主要生产阶段即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，形成与化工生产紧密联系的化工工艺试题。制备类工艺流程题一般由多步连续的操作组成，每一步操作都有其具体的目标、任务。审题的重点要放在与题设有关操作的目标、任务上，分析时要从成本角度(原料是否廉价易得)、环保角度(是否符合绿色化学的要求)、现实角度等方面考虑；解答时要看框内，看框外，里外结合；边分析，边思考，易处着手；先局部，后全盘，逐步深入。而且还要看清问题，不能答非所问。要求用理论回答的试题应采用“四段论法”：本题改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论→所以有什么变化→结论。学科@网 ‎【例题2】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+NaNO3 Na2CrO4+ 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Cr2O3 40%）制备K2Cr2O7，最终得到产品 m2 kg，产率为_____。‎ ‎【答案】（1）2∶7 陶瓷在高温下会与Na2CO3反应 （2）铁 Al(OH)3‎ ‎（3）小 2+2H++H2O （4）d 复分解反应 （5）×100%‎ ‎（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2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O，增大溶液中H+浓度，可促进平衡正向移动，提高溶液中Cr2O72-的浓度。‎ ‎（4）由图示可知，在10 ℃左右时，得到K2Cr2O7的固体最多；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÷（m1×40% kg×）×100%=×100%。‎ ‎【名师点睛】考查无机制备的工艺流程，涉及氧化还原反应、离子方程式配平、盐类水解的应用及混合物的分离与提纯等，解题时要求对整个流程进行认识分析，对流程中每一个反应的原理和操作的目的要理解清楚。‎ ‎1、制备型工艺流程题 ‎（1）明确题目目的是制取什么物质，从题干或问题中获取有用信息，了解产品的性质。善于从基本概念和反应原理的角度分析流程图试题中的元素及化合物知识，善于从质量守恒原理的角度分析未知物质，寻找解题的突破口。箭头进入的是投料(反应物)，箭尾是生成物。‎ ‎（2）注意制备过程中所需的原料和条件的控制以及物质分离方法的选择。读懂流程图，写出主要的化学反应方程式或制备原理。‎ ‎（3）要解决一个物质的制备、合成等实际的化学问题往往从成本角度、环保角度、现实角度等多角度考虑。‎ ‎2、化学工艺流程常涉及的化学反应原理有：‎ ‎（1）沉淀溶解平衡的相关应用 ‎①沉淀的最小浓度控制；②沉淀转化的条件。‎ ‎（2）反应速率及化学平衡理论在实际生产中的应用 ‎①反应速率控制；②化学平衡移动；③化学平衡常数的应用；④反应条件的控制。‎ ‎（3）氧化还原反应的具体应用 ‎①强弱规律；②守恒规律；③选择规律。‎ ‎（4）盐类水解的具体应用 ‎①水解规律；②水解反应的控制(抑制或促进)。‎ ‎3、实验技术类 无机化工类实验题主要以无机化工流程图为载体，联系中学化学中基本实验方法，如装置气密性检查，混合物分离、提纯和检验以及产品收集与尾气处理等。无机化工实验题的命题热点主要有：‎ ‎（1）金属冶炼类，如冶炼铁、铜、锰和钨等金属，联系产品纯度测定、冶炼条件控制以及混合物分离和提纯等。‎ ‎（2）中学重要化工产品的制备，如胆矾、绿矾、明矾、氧化铜、硝酸铜和碳酸钙等物质的制备。‎ ‎（3）模拟化工原理，设计实验。如探究接触法制硫酸、合成氨、氨催化氧化法制硝酸和硅的精炼等原理。‎ 加入什么物质 发生什么反应 如何分离 箭头指向为加入物质，指出为生成物质 根据反应的基本原理（氧化还原反应、离子反应），写出方程式。‎ 实验基本操作，根据物质的状态、性质进行 规范答题 根据分析，规范作答，准确表达。‎ ‎1．纳米碳酸钙是一种广泛应用于塑料、食品、医药、饲料等行业的重要无机填料。以磷石膏钙渣为原料制取高品质纳米碳酸钙的工艺流程如下：‎ 已知某磷石膏钙渣的主要成分及其含量如下表所示。‎ CaO P2O5‎ SO3‎ Fe2O3‎ Al2O3‎ SiO2‎ 烧失量 ‎47.70%‎ ‎1.60%‎ ‎1.77%‎ ‎0.041%‎ ‎0.0027%‎ ‎9.85%‎ ‎37.69%‎ 请回答下列问题：‎ ‎（1）对磷石膏钙渣进行酸溶的目的是获得机制CaCl2溶液，为了提高溶出率，可以采取的措施有___________(填字母)。‎ A．粉碎磷石膏钙渣 B．增大盐酸浓度 C．适当降低温度 D．缩短酸溶时间 ‎（2）为了探究酸溶的工艺条件,称取6 份各50g磷石膏钙渣，分别用不同浓度盐酸进行溶解，反应时间为30 min,测得滤液中钙溶出率的结果如图所示，最适宜的盐酸浓度为___________。‎ ‎（3）精制是向粗制CaCl2溶液中通入氨气,控制溶液的pH,主要除去___________(填金属阳离子)。‎ ‎（4）碳化时，先将精制CaCl2溶液稀释至一定体积，控制反应温度以及NH3和CO2 的通入量,此过程中，通入气体有先后顺序,应先通入气体的化学式___________(填化学式);碳化时发生反应的化学方程式 为___________________________________________。‎ ‎（5）把CaCO3浊液滴入1.0mol·L-1 的Na2SO3溶液中，能否产生CaSO3沉淀?___________。若不能,说明原因;若能,请从定量的角度简述判断依据：___________________________________。[已知：‎ Ksp(CaSO3)=1.4×10-7，Ksp(CaCO3)=2.8×10-9‎ ‎（6）试设计简单的实验方案,判断所得碳酸钙样品颗粒是否为纳米级：___________。‎ ‎【答案】AB 4.0 mol·L-1 Fe3+、Al3+ NH3 CaCl2+H2O+2NH3+CO2=CaCO3↓+2NH4Cl 能 由 ‎=50 可知,当CaSO3与CaCO3 的混合液中c(SO32-)>50c(CO32-)时．即发生由CaCO3向 CaSO3的转变 取少量样品和水混合形成分散系．用一束光照射,若出现一条光亮的通路，则是纳米级．否则不是 ‎(4)碳化时，先将精制CaCl2溶液稀释至一定体积，控制反应温度以及NH3和CO2 的通入量，由于二氧化碳在水中的溶解度减小，而氨气极易溶于水，因此先通入氨气，后通入二氧化碳；碳化时氯化钙与 二氧化碳和氨气反应生成碳酸钙沉淀和氯化铵，反应的化学方程式为 CaCl2+H2O+2NH3+CO2=CaCO3↓+2NH4Cl，故答案为：NH3；CaCl2+H2O+2NH3+CO2=CaCO3↓+2NH4Cl；‎ ‎(5)由==50知，当CaSO3与CaCO3的混合液中c(SO32-)＞50c(CO32-)时，即发生由CaCO3向CaSO3的转变，把CaCO3浊液滴入0.1mol/L的Na2SO3溶液中时，溶液中的c(Ca2+)与 c(SO32-)之积大于Ksp(CaSO3)，生成CaSO3沉淀，导致溶液中c(Ca2+)减小，使CaCO3的沉淀溶解平衡 CaCO3⇌Ca2++CO32-向着溶解的方向移动，导致CaCO3溶解，故答案为：能，由 =50知，当CaSO3与CaCO3的混合液中c(SO32-)＞50c(CO32-)时，即发生由CaCO3向CaSO3的转变； ‎ ‎2．高锰酸钾在饮用水和工业污水处理领域的消费增长较快。实验室可用软锰矿(主要成分为MnO2)为原料制备高锰酸钾。其部分流程如下：‎ 已知：墨绿色浸出液的成分为K2MnO4、KCl溶液 回答下列问题：‎ ‎（1）实验中采用铁坩埚而不是瓷坩埚的原因是：（用化学反应方程式表示）‎ ‎___________________________________________________。‎ ‎（2）写出生成K2MnO4和KCl反应的化学方程式：________________________；通入CO2，可使MnO42-发生反应，生成MnO及MnO2。若通入CO2太多，则在加热浓缩时，会有__________________晶体和KMnO4晶体一起析出。‎ ‎（3）在加热、浓缩、烘干的过程中温度不宜过高，其原因是（用化学反应方程式表示）‎ ‎_________________________；过滤用到的玻璃仪器有烧杯、_________、_______；加热时用玻璃棒不断搅拌溶液的目的是_______________________________________；洗涤KMnO4晶体用冷水洗涤较好的原因是_______________________________________。‎ ‎（4）计算12.25 g KClO3固体经过上述转化，最多可制得KMnO4的质量为___________(结果保留一位小数)。（相对原子质量：K—39 Cl—35.5 O—16 Mn—55）‎ ‎【答案】SiO2＋2KOH K2SiO3＋H2O KClO3＋3MnO2＋6KOH 3K2MnO4＋KCl＋3H2O KHCO3 2KMnO4 O2↑＋MnO2＋K2MnO4 漏斗 玻璃棒 受热均匀利于蒸发溶剂 减少高锰酸钾的溶解 ‎ 31.6 g ‎(3)温度过高KMnO4发生分解反应：2KMnO4O2↑+MnO2+K2MnO4，故在加热、浓缩、烘干的过程中温度不宜过高；过滤用到的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒、漏斗；加热时用玻璃棒不断搅拌，受热均匀利于蒸发溶剂，防止液体飞溅；洗涤KMnO4晶体用冷水洗涤，降低溶解度，减少因溶解导致的损失，故答案为：2KMnO4O2↑+MnO2+K2MnO4；玻璃棒、漏斗；受热均匀利于蒸发溶剂；减少高锰酸钾的溶解；‎ ‎(4)生成K2MnO4的反应为：KClO3+3MnO2+6KOH KCl+3K2MnO4+3H2O，通入二氧化碳时，MnO42-→MnO4-，MnO42-→MnO2，根据电子转移守恒2n(MnO2)=n(MnO4-)，根据锰元素守恒可知，转化KMnO4的MnO42-占，可得关系式：KClO3～3K2MnO4～2KMnO4，设12.25g KClO3固体经过上述转化，最多可制得KMnO4的质量为x，则：‎ KClO3～3K2MnO4～2KMnO4‎ ‎122.5          316  ‎ ‎12.25g         x 所以x==31.6g故答案为：31.6。‎ ‎3．铅和铅的化合物有广泛的用途，如Pb有感光性，也可用作金属着色剂，PbI2在潮湿空气中能被光逐渐分解，生成一氧化铅和碘。合成PbI2的实验流程如图所示。‎ ‎（1）若Fe3O4表示为氧化物形式是Fe2O3·FeO，将Pb3O4表示为氧化物形式是__________。‎ ‎（2）将铅块制成铅花的目的是_______________。‎ ‎（3）如果流程中生成的NOx为NO，则氧化剂与还原剂的物质的量之比为__________。‎ ‎（4）PbI2在潮湿空气中能被光逐渐分解的化学方程式为_______________。‎ ‎（5）硫酸铅可溶于醋酸铵饱和溶液中，请从化学反应原理角度解释:_____________________。‎ ‎（6）铅主要的矿物有方铅矿(PbS)和铅钒矿(PbSO4),将二者以物质的量之比为1:1时加热得到金属铅和一种气体，有关反应的化学方程式是__________________。‎ ‎（7）室温下，浓度均为4×10-3mo/L的KI和Pb(NO3)2溶液等体积混合，刚好能生成PbI2沉淀，则室温时PbI2的Ksp为___________。‎ ‎【答案】 PbO2·2PbO 是为了增大与酸反应的接触面积，加快溶解反应速率 2:3 2PbI2+O2=2PbO+2I2 两者可反应生成难电离的可溶性盐(CH3COO)2Pb PbS+PbSO42Pb+2SO2↑ 8.0×10-9 ‎ ‎（5）硫酸铅可溶于醋酸铵饱和溶液中，说明两者可发生复分解反应，生成难电离的可溶性盐 ‎(CH3COO)2Pb。‎ ‎（6）铅主要的矿物有方铅矿(PbS)和铅钒矿(PbSO4),将二者以物质的量之比为1:1时加热得到金属铅和一种气体。根据质量守恒定律可知，该反应的化学方程式是PbS+PbSO42Pb+2SO2↑。‎ ‎（7）室温下，浓度均为4×10-3mo/L的KI和Pb(NO3)2溶液等体积混合后，溶液中碘离子浓度和铅离子浓度均为2×10-3mo/L，因为刚好能生成PbI2沉淀，则室温时PbI2的Ksp为(2×10-3)3=8.0×10-9。‎ 点睛：两溶液等体积混合后若不发生反应，忽略溶液体积的变化，溶液体积变为原来的2倍，则溶液中各离子的浓度均变为原来的一半。本题中两溶液混合后，刚好能生成PbI2沉淀，说明溶液中PbI2刚好达到饱和，即其离子积则好等于溶度积。学科@网 ‎4．某含砷(As )的有毒工业废水经如下图流程转化为粗Aa2O3。已知：亚砷酸钙微溶于水，砷酸钙难溶于水。‎ ‎(1)加入试剂1的目的是:_________________________。‎ ‎(2)“沉砷”是将砷元素转化为Ca5(AsO4)3OH 沉淀，发生的主要反应有：‎ A．Ca(OH)2(s) Ca2+(aq) + 2OH－(aq) ΔH ＜0‎ B．5Ca2+ + OH－+ 3AsO43－Ca5(AsO4)3OH ΔH ＞0‎ 研究表明：“沉砷”的最佳温度是85℃， 用化学平衡原理解释温度高于85℃后，随温度升高沉淀率下降的原因是________。‎ ‎(3)“还原”过程中H3AsO4转化为H3AsO3，反应的化学方程式是________。‎ ‎(4)通过对H3AsO3溶液进行_____(填操作名称)，再过滤可制得粗As2O3。As2O3在不同温度和不同浓度硫酸中的溶解度（S）曲线如下图所示。为控制滤液2 中As2O3的浓度不高于6×10-5 mol·L-1 ，则“结晶”过程应控制的条件是______________________(例举一例回答)‎ ‎(5)从绿色化学和综合利用的角度考虑，对滤液2 处理方法是:________________________。‎ ‎【答案】将AsO33－氧化为AsO43－ A反应△H＜0，升温促使A平衡向左移动，c(Ca2+)和c(OH－)减小，从而导致B平衡向左移动 H3AsO4+H2O+SO2=H3AsO3+H2SO4 加热 控制温度在60℃并将硫酸浓度调至7 mol•L﹣1。或：控制温度在25℃并将硫酸浓度调至7 mol•L﹣1。或：控制温度在60℃以下并将硫酸浓度调至7 mol•L﹣1。或：温度控制在25℃并将硫酸浓度调至3~11 mol•L﹣1。或：温度控制在25℃以下并将硫酸浓度调至3~11 mol•L﹣1 将滤液2输入“酸化”环节，循环使用 ‎(1)根据上述分析，加入试剂1的目的是将AsO33－氧化为AsO43－，故答案为：将AsO33－氧化为AsO43‎ ‎－；‎ ‎(4)对H3AsO3溶液加热，使H3AsO3分解为As2O3，再过滤可制得粗As2O3。由图可知：硫酸浓度约为7 mol•L-1，25℃时As2O3的沉淀率最大，易于分离，故为了提高粗As2O3的沉淀率，调硫酸浓度约为7 mol•L-1，冷却至25℃，过滤；故答案为：加热；调硫酸浓度约为7 mol•L-1，冷却至25℃，过滤；‎ ‎(5) 滤液2主要含有硫酸，可循环使用，故答案为：将滤液2输入“酸化”环节，循环使用。‎ 点睛：本题考查了物质的制备，涉及对工艺流程的理解、氧化还原反应、对条件的控制选择与理解等，理解工艺流程原理是解题的关键。本题的难点是正确理解流程过程中的反应原理。‎ ‎5．实验室模拟工业利用氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]生产磷铵[(NH4)3PO4]和白磷。其工艺流程如下图所示：‎ ‎（1）氟磷灰石中磷元素的化合价为________，气体A 的电子式为________________；固体B 的化学式为____________________________。‎ ‎（2）沸腾槽不能用陶瓷材质的原因是_______________________（用化学方程式表示）。‎ ‎（3）工业上还可以用氟磷灰石与焦炭、石英砂混合，在电炉中加热到1500 ℃生成白磷，同时逸出SiF4和CO，该反应的化学方程式为____________________________。‎ ‎（4）在装置I中通入过量氨气的目的是___________________________________________。‎ ‎（5）磷铵与草木灰不能混合使用的原因是______________________________________。‎ ‎（6） (NH4)3PO4溶液中含磷离子浓度的大小顺序是_____________________________________。‎ ‎【答案】+5 CaSO4·2H2O或CaSO4 4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O 4Ca5(PO4)3F +21 SiO2+30C 20CuSiO3+ 3P4+ SiF4↑+30CO↑ 使H3PO4全部转化为(NH4)5PO4 碱性的草术灰与磷铵混合使用，会产生氨气，氨气易挥发，降低肥效 c(PO42-)>c(HPO42-)>c(H3PO4-)‎ ‎【解析】（1）氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]中氧元素为-2价，钙为+2价，氟为-1价，根据化合物中化合价代数和为 的化学方程式为4Ca5(PO4)3F +21 SiO2+30C 20CuSiO3+ 3P4+ SiF4↑+30CO↑；（4）在装置I中通入过量氨气的目的是使H3PO4全部转化为(NH4)5PO4；（5）磷铵与草木灰不能混合使用的原因是碱性的草术灰与磷铵混合使用，会产生氨气，氨气易挥发，降低肥效；（6） (NH4)3PO4溶液中电离出的PO42-会水解，多元弱酸的水解是分步的且每步水解程度逐渐减小，故含磷离子浓度的大小顺序是：‎ c(PO42-)>c(HPO42-)>c(H3PO4-)。‎