高中人教版 (2019)化学与可持续发展单元综合与测试精品学案设计

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[专题重难突破]
eq \a\vs4\al(专题 无机工艺流程题的解题策略)
【知识整合】
无机工艺流程题的文字量大，信息新颖，工艺流程陌生，涉及的知识点多，综合性强，不少同学感到解题困难。但若熟悉这类试题的命题特点，掌握解题策略，将会事半功倍。
1．题型分析
无机工艺流程题以实际的工业生产过程为背景，以解决化学实际问题为思路设置问题，通常以流程图的形式呈现生产过程，有时还结合表格和图像提供多种信息。试题的结构通常分为题头、流程和设问三部分。题头一般简单介绍工艺生产的原材料和目的(包括副产品)；流程部分主要用框图形式将原料到产品的主要工艺流程表示出来；设问主要是根据生产过程中涉及的化学知识来设置，从而组成一道完整的化学试题。从要解决的问题看，这类试题通常有两个目的：一是从混合物中分离、提纯某种物质；二是利用某些物质制备某种物质。这类试题一般围绕以下知识点进行设问：
(1)化学方程式或离子方程式的书写：根据流程图及设问中的信息找出反应物和生成物，书写指定的化学方程式或离子方程式。
(2)物质的分离与提纯：通过加入化学试剂使某种物质转化为沉淀，通过过滤除去等。
(3)化学实验基本操作：除杂、分离、检验、洗涤、干燥等实验操作步骤的描述；加入某种试剂或某个实验操作的目的描述等。
(4)化学计算：结合原料纯度、转化率、损失率、产物产率等计算产品质量；结合溶液配制操作测定样品中某元素的含量或产品纯度等。
(5)绿色化学思想：流程中的物质转化和循环，资源的回收和利用，环境保护与绿色化学评价等。
2．解题策略
无机工艺流程题要考虑的问题主要有以下几个方面：将原料转化为产品的生产原理；除杂并分离提纯产品；提高产量或产率；减少污染，注意环保；考虑原料的来源和经济成本；生产设备易于操作，生产工艺简便等。围绕以上几个方面的问题的基本解题思路如下：
(1)从生产目的(标)出发，读懂框图(流程)。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。无机工艺流程一般如图所示：
上述无机工艺流程图中存在的基本规律是“主线主产品，分支副产品，回头为循环”。
(2)分析流程中的每个步骤，从反应物是什么、发生了什么反应、该反应产生了什么结果或对制造产品有什么作用等方面了解流程。抓住一个关键点：一切反应或操作都是为了获得产品。反应条件控制是生产中的核心问题。
3．原料预处理的五种措施
4.制备过程中控制反应条件的五种方法
(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。为调节pH所选用的物质一般应满足以下两点：
①能与H＋或OH－反应，使溶液pH变大或变小；
②不引入新杂质。
(2)控制温度。根据需要升高或降低温度，改变反应速率。
(3)控制压强。改变反应速率，影响化学平衡。
(4)使用合适的催化剂。加快反应速率，缩短达到平衡所需的时间。
(5)趁热过滤。防止某物质因温度降低而析出。
5．获得产品阶段的四种常见操作
(1)洗涤(冰水等)：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。
(2)蒸发时的气体氛围：如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCl气流中加热。
(3)蒸发浓缩、冷却结晶：如K2Cr2O7和少量NaCl的混合溶液，将混合溶液加热蒸发后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，母液中含NaCl和少量K2Cr2O7，这样就可分离出大部分K2Cr2O7；同理可除去KNO3中少量的NaCl。
(4)蒸发结晶、趁热过滤：如NaCl和少量K2Cr2O7的混合溶液，将混合溶液蒸发一段时间，趁热过滤，析出的固体主要是NaCl，母液中含K2Cr2O7和少量NaCl；同理可除去NaCl中少量的KNO3。
6．准确把握物质提纯中的五种常用方法
7.正确选择物质分离中的六种常用方法
8.沉淀或晶体的洗涤
(1)洗涤方法：直接向过滤器或漏斗中加洗涤试剂至液面刚浸过固体，让其自然流下，重复此操作2～3次。
(2)是否洗涤干净的确定：取最后一次洗涤液于试管中，向其中加入检验试剂，若无特征现象，则说明已洗净，否则没有洗净(若杂质为K＋、Na＋，则可以利用焰色试验检验)。
(3)洗涤剂的选用
①难(微)溶于水：用蒸馏水做洗涤剂；
②可溶于水：用冰水、冷水、酒精或丙酮等做洗涤剂；
③用有机物洗涤的优点：能减少固体的溶解损失，快速地得到干燥固体。
【强化训练】
1．由软锰矿(主要成分为MnO2)制备KMnO4的实验流程可表示如下：
(1)操作Ⅱ的名称是________。
(2)可循环利用的物质是________________(填化学式)。
(3)反应②的产物中，氧化产物与还原产物的物质的量之比是________。
(4)反应②中“酸化”时不能选择下列酸中的________(填字母)。
A．稀盐酸B．稀硫酸
C．稀醋酸
解析：(1)经过操作Ⅱ得到滤渣和滤液，故操作Ⅱ为过滤。(2)操作Ⅱ得到的MnO2可以循环利用。(3)反应②：3MnOeq \\al(2－,4)＋4H＋===2MnOeq \\al(－,4)＋MnO2＋2H2O，氧化产物为MnOeq \\al(－,4)，还原产物为MnO2，二者物质的量之比为2∶1。(4)因锰酸根和高锰酸根均具有强氧化性，不能使用盐酸酸化。
答案：(1)过滤 (2)MnO2 (3)2∶1 (4)A
2．纳米铁可用作特殊的催化剂，以FeSO4饱和溶液为原料制取纳米铁的工艺流程如图所示。
已知：主反应在80 ℃左右条件下进行，直至得到黄色沉淀(FeC2O4·2H2O)。
(1)实验室中FeSO4溶液在保存时需要加入少量铁粉，作用是_____________________________。
(2)写出进行“主反应”的化学方程式：___________________________，为了保证主反应的顺利进行，可以采取的加热方式是________________________。
(3)能够确定沉淀洗涤干净的操作和现象是____________________________。
(4)写出焙烧过程中发生反应的化学方程式：___________________________。
(5)若洗涤后所得晶体未进行干燥而直接焙烧，则最终得到的纳米铁中含有的杂质可能为____________。
解析：(1)Fe2＋具有强还原性，容易被空气中的氧气氧化，加入铁粉可以起到保护作用。(2)由题图可知，主反应的反应物有FeSO4和H2C2O4，由已知信息可知，主反应的产物有FeC2O4·2H2O沉淀，再根据原子守恒可写出反应方程式，还需注明反应条件。因为反应温度需要维持在80 ℃左右，所以不能用酒精灯直接加热，应用水浴加热，比较容易控制反应温度。(3)洗涤沉淀的主要目的是洗去沉淀表面附着的可溶性离子，可以通过检验最后一次洗涤液中是否含有原反应物来确定是否洗涤干净。(4)由反应物FeC2O4·2H2O和生成物Fe可知，焙烧过程发生了氧化还原反应。(5)在生产制备中，一般需要考虑产品的保护，如果不进行干燥，焙烧时会有较多的水蒸气生成，而高温条件下Fe和水蒸气会发生反应生成Fe3O4与H2，导致得到的纳米铁中含有Fe3O4杂质。
答案：(1)防止Fe2＋被空气中的氧气氧化
(2)FeSO4＋H2C2O4＋2H2Oeq \(=====,\s\up9(80 ℃))FeC2O4·2H2O↓＋H2SO4 水浴加热
(3)取最后一次洗涤液于试管中，滴加氢氧化钠溶液，若无明显现象，则洗涤干净(或滴加酸性高锰酸钾溶液，若不褪色，则洗涤干净，答案合理即可)
(4)FeC2O4·2H2Oeq \(=====,\s\up9(700 ℃))Fe＋2CO2↑＋2H2O
(5)Fe3O4
3．砷(As)是第ⅤA族元素，它在自然界中的含量不高，但人类认识它的历史很长，砷的某些化合物具有独特的性质与用途，如As2O3在医药、电子等领域有重要应用，我国科学家研究发现砒霜(As2O3)可用来治疗早期幼粒白血病。
(1)H3AsO3中砷的化合价为______，从物质化学性质角度看，As2O3不可能是______(填“酸”“碱”或“两”)性氧化物。
(2)某化工厂利用含硫化砷(As2S3)的废料制取As2O3(微溶于水)的流程如下：
①写出两种能提高“碱浸”速率的方法：______________________；一系列操作包括加热使H3AsO3分解成氧化物、__________、干燥得到As2O3；
②碱浸液中溶质主要为Na3AsO3、Na3AsS3，脱硫后砷以Na3AsO4的形式存在，写出Na3AsS3与O2反应的化学方程式：_______________________________；还原后砷以H3AsO3的形式存在，则通入SO2的反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。
(3)若废料中As2S3的质量分数为a、转化过程中砷损失率为b，则1 t废料最终可得到____________t As2O3。
解析：(1)砷是非金属元素，不可能形成碱性氧化物。
(2)①将废料粉碎、适当提高NaOH溶液浓度、搅拌、适当加热均可提高“碱浸”速率。由“加热使H3AsO3分解成氧化物”及As2O3微溶于水知，后续操作为过滤、洗涤、干燥得到As2O3；②由流程图及题给信息知Na3AsS3与O2反应后转化为Na3AsO4和单质硫，由此可写出对应的化学方程式。通入SO2后Na3AsO4被还原为H3AsO3，SO2被氧化为SOeq \\al(2－,4)，由得失电子守恒可知，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1。
(3)由质量守恒可知，n(As2S3)～n(As2O3)，代入有关数据后可求得生成As2O3的质量为eq \f(33a（1－b）,41) t。
答案：(1)＋3价 碱
(2)①将废料粉碎、适当提高NaOH溶液浓度、搅拌、适当加热(任答两条) 过滤、洗涤 ②Na3AsS3＋2O2===Na3AsO4＋3S↓ 1∶1
(3)eq \f(33a（1－b）,41)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
与水反应或溶解
酸浸
与酸反应或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤l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，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
目的
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发挥的杂质
灼烧法
目的
方法
分离难溶物和易溶物
过滤或抽滤
利用溶质在互不相溶的溶剂中溶解度的不同提取分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴
萃取和分液
提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl等
蒸发结晶
提取溶解度随温度变化较大的溶质或结晶水合物，如KNO3、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等
冷却结晶
分离沸点相差较大且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油
蒸馏或分馏
利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业中分离氨气与氮气、氢气
冷却法