2019高三化学二轮复习配套教案：第一篇题型二　化学工艺流程

题型二　化学工艺流程

(对应学生用书第76~77页)
　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　

1.(2018·全国Ⅰ卷,27)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。回答下列问题:
(1)生产Na2S2O5,通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。写出该过程的化学方程式 
　　　　　　　　。 
(2)利用烟道气中的SO2生产Na2S2O5的工艺为:

①pH=4.1时,Ⅰ中为　　　　　　溶液(写化学式)。 
②工艺中加入Na2CO3固体、并再次充入SO2的目的是　。 
(3)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。阳极的电极反应式为　。 
电解后,　　　　室的NaHSO3浓度增加。将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。 

(4)Na2S2O5可用作食品的抗氧化剂。在测定某葡萄酒中Na2S2O5残留量时,取50.00 mL葡萄酒样品,用0.010 00 mol·L-1的碘标准液滴定至终点,消耗10.00 mL。滴定反应的离子方程式为 
　, 
该样品中Na2S2O5的残留量为　　　　g·L-1(以SO2计)。 
解析:(1)根据题给信息,将NaHSO3过饱和溶液结晶脱水可得到Na2S2O5,则化学方程式为2NaHSO3Na2S2O5+H2O。
(2)①酸性条件下,SO2与Na2CO3溶液生成NaHSO3。②工艺中加入Na2CO3固体并再次通入SO2,其目的是得到NaHSO3过饱和溶液。
(3)阳极上阴离子OH-放电,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,电解过程中H+透过阳离子交换膜进入a室,故a室中NaHSO3浓度增加。
(4)根据电子、电荷及质量守恒,可写出反应的离子方程式为S2+2I2+3H2O2S+4I-+6H+。n(S2)=×n(I2)=×0.010 00 mol·L-1×10.00×10-3 L=5×10-5 mol,该样品中S2的残留量(以SO2计)为5×10-5 mol×2×64 g·mol-1×=0.128 g·L-1。
答案:(1)2NaHSO3Na2S2O5+H2O
(2)①NaHSO3　②得到NaHSO3过饱和溶液
(3)2H2O-4e-4H++O2↑　a
(4)S2+2I2+3H2O2S+4I-+6H+　0.128
2.(2017·全国Ⅱ卷,26)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示:

回答下列问题:
(1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是 
　, 
还可使用　　　　代替硝酸。 
(2)沉淀A的主要成分是　　　　,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为　。 
(3)加氨水过程中加热的目的是　。 
沉淀B的主要成分为　　　　、　　　　(写化学式)。 
(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后,用KMnO4标准溶液滴定,通过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为:+H++H2C2O4Mn2++CO2+H2O。实验中称取0.400 g水泥样品,滴定时消耗了0.050 0 mol·L-1 的 KMnO4溶液36.00 mL,则该水泥样品中钙的质量分数为　　　　。 
解析:(1)在此过程中需将Fe元素转化为Fe3+,再通过调节pH 4~5使其转化为Fe(OH)3而除去,所以加入硝酸的目的是将Fe2+氧化为Fe3+,还可以用H2O2代替,不会产生其他杂质。
(2)A为SiO2或H2SiO3。SiO2、H2SiO3能与HF反应。
反应的化学方程式为SiO2+4HFSiF4↑+2H2O或H2SiO3+4HFSiF4↑+3H2O。
(3)加热使得Fe3+、Al3+的水解平衡正向移动,促进Fe3+、Al3+的水解,防止胶体生成,易沉淀分离,所以沉淀B的主要成分为Fe(OH)3、Al(OH)3。
(4)滴定反应配平后为2Mn+6H++5H2C2O42Mn2++10CO2+8H2O

得5Ca2+~5H2C2O4~2Mn
5 2
n 0.050 0×36×10-3 mol
n=4.5×10-3 mol,
所以m(Ca)=(4.5×10-3×40)g
所以Ca%=×100%=45.0%。
答案:(1)将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+　H2O2
(2)SiO2(或H2SiO3)　SiO2+4HFSiF4↑+2H2O(或H2SiO3+4HFSiF4↑+3H2O)
(3)防止胶体生成,易沉淀分离　Al(OH)3　Fe(OH)3
(4)45.0%
3.(2016·全国Ⅰ卷,28)NaClO2是一种重要的杀菌消毒剂,也常用来漂白织物等,其一种生产工艺如下:

回答下列问题:
(1)NaClO2中Cl的化合价为　　　　。 
(2)写出“反应”步骤中生成ClO2的化学方程式 
　。 
(3)“电解”所用食盐水由粗盐水精制而成,精制时,为除去Mg2+和Ca2+,要加入的试剂分别为　　　　、　　　　。“电解”中阴极反应的主要产物是　　　　。 
(4)“尾气吸收”是吸收“电解”过程排出的少量ClO2。此吸收反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为　　　　,该反应中氧化产物是　　　　。 
(5)“有效氯含量”可用来衡量含氯消毒剂的消毒能力,其定义是:每克含氯消毒剂的氧化能力相当于多少克Cl2的氧化能力。NaClO2的有效氯含量为　　　　。(计算结果保留两位小数) 
解析:(1)根据化合物中元素正负化合价代数和为0知,NaClO2 中Cl显+3价。
(2)由流程图可知,NaClO3与H2SO4、SO2反应生成NaHSO4和ClO2,根据电子守恒、元素守恒可写出并配平反应方程式为2NaClO3+H2SO4+SO22ClO2+2NaHSO4。
(3)除去粗盐中的Mg2+、Ca2+,分别选用NaOH溶液和Na2CO3溶液,分析流程图可知,电解过程产物为NaClO2和Cl2,结合被电解的物质为ClO2和食盐水,根据电解原理可知,阴极发生还原反应,故产物为NaClO2。
(4)尾气吸收的是少量的ClO2,根据转化关系可知,ClO2作氧化剂被还原为NaClO2,H2O2为还原剂被氧化为O2,根据电子守恒可求得:n(ClO2)∶n(H2O2)=2∶1。
(5)设NaClO2的有效氯含量为m(Cl2),根据有效氯的定义,结合电子守恒知:×4=×2,解得:m(Cl2)≈1.57 g。
答案:(1)+3　
(2)2NaClO3+SO2+H2SO42ClO2+2NaHSO4
(3)NaOH溶液　Na2CO3溶液　Cl(或NaClO2)
(4)2∶1　O2　(5)1.57

　　化学工艺流程题经过前几年的冷却,从2016年以来已经连续三年出现在全国高考Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷的理综试卷中,完整地取代了以前的无机框图推断题,其热度明显地得到提升。工艺流程题主要是以物质的制备、物质分离提纯为考核素材,以工艺流程图为信息背景,以物质的性质、转化、分离等为考查点,将元素化合物知识、化学反应原理、实验等内容有机融合在一起的综合型试题。通常会涉及陌生的化学工业工艺、陌生的化学反应,往往给考生较大的冲击力,考生不一定能完全理解整个流程的原理,但一般不会影响答题。从试题给出的目的出发主要可分为以物质制备为主要目的工艺流程和以分离提纯为主要目的的工艺流程。涉及物质的转化、物质的分离提纯、尾气等废弃物的处理等化学问题,体现了变化观念、证据推理以及科学精神与社会责任的学科素养。
1.试题的组成
(1)题干:介绍原料的成分,以及工艺的目的是什么(利用原理制备物质还是混合物的提纯)。

(2)工艺流程图:

(3)问题:一类是对点设问,就题论题,针对流程中某一个问题提出问题,与流程无多大关系;另一类是对整个流程涉及的化学知识设计的系列问题,则需要对整个流程有一个完整的理解。
2.试题的模块结构
(1)原料的预处理模块
①粉碎或研磨:增大固液(或固气或固固)接触面积,加快反应(溶解)速率,增大原料的转化率(或浸取率)。
②焙烧:去掉有机物,使氢氧化物、碳酸盐等分解、转化为下一步可溶解的物质。
③酸浸:溶解氧化物(膜)、调节pH促进水解(沉淀)。
碱溶:去油污,去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅,调节pH促进水解(金属离子的沉淀)。
(2)核心化学反应模块
①物质制备型,这里主要完成目标物质的转化,核心目标是提高转化率。
②分离提纯型,这里要通过转化除掉主要的杂质,核心是杂质的去除要彻底。
(3)分离提纯模块
根据物质的状态、溶解度选择恰当的分离方案得到纯净的目标物质。

考向1　物质制备型
(对应学生用书第77~79页)
　　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　

明确题目要制备什么物质,给的原料是什么?利用已有化学知识并结合题干给出的提示信息勾勒出原料到目标产物的化学转化路径。流程中药品、各种条件的选择都是为了能更多的获得产品。围绕这个核心去分析药品、操作、条件的作用,做到有的放矢。
1.如果在制备过程中出现或用到受热易分解的物质,则要注意对温度的控制。如:侯德榜制碱中的NaHCO3;还有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质。
2.如果产物是一种会水解的盐,且水解产物中有挥发性的酸产生时,则要加相对应的酸来防止水解。如制备FeCl3、AlCl3、MgCl2、Cu(NO3)2等物质时,要蒸干其溶液得到固体溶质时,都要加相应的酸或在酸性气流中干燥来防止它水解。
3.如果产物是一种强氧化性物质或强还原性物质,则要防止它们被其他物质氧化还原,如:含Fe2+、S、I-等离子的物质,则要防止反应过程中O2的介入。
4.如果产物是一种易吸收空气中的CO2或水(潮解或发生反应)而变质的物质(如NaOH固体等物质),则要注意防止在制备过程中对CO2或水的去除,也要防止空气中的CO2或水进入装置中。
5.当题目中给出多种物质的沸点、溶解度信息,则意味着需要用蒸馏、高温(低温)过滤来进行分离。
6.在回答题目中条件的选择原因时主要可从以下几个方面着手:
(1)对反应速率有何影响?
(2)对平衡转化率是否有利?
(3)对综合生产效益有何影响?如原料成本、原料来源是否广泛、是否可再生,能源成本,对设备的要求,环境保护(从绿色化学方面作答)。

【例题】 (2017·全国Ⅰ卷,27)(14分)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①)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②,所采用的实验条件为　　　　　　　　　。 

(2)“酸浸”后,钛主要以TiOC形式③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④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+4⑤,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LiFeP的化学方程式 
　　　　　　　　　　　。 
【审题指导】
①明确原料FeTiO3、杂质MgO、SiO2以及要制备的物质Li4Ti5O12和LiFePO4。
②抓住浸出率70%这一条件,在图中找出70%时对应的温度与时间。
③TiOC中Ti元素为+4价,FeTiO3中Ti也为+4价,因为HCl不可能把Ti从+3价氧化为+4价,所以这是一个复分解反应。
④考虑到温度过高,双氧水、氨水都会分解。反应物浓度的降低,造成转化率降低。
⑤联想Na2O2中的过氧键,过氧键数目是-1价氧原子数目的一半。
⑥FePO4制备LiFePO4过程伴随Fe元素化合价的降低,反应物中的草酸有还原性,所以这是一个FePO4与H2C2O4之间的氧化还原反应。
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或90 ℃、5 h下进行。
(2)“酸浸”时用盐酸溶解FeTiO3生成TiOC时,发生反应的离子方程式为FeTiO3+4H++4Cl-Fe2++TiOC+2H2O。
(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。
(4)Li2Ti5O15中Li为+1价,O为-2价,Ti为+4价,过氧根()中氧元素显-1价,设过氧键的数目为x,根据化合物中各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(P)=1.3×10-22,则c(P)==1.3×10-17 mol·L-1,Q[Mg3(PO4)2]=c3(Mg2+)×c2(P)=(0.01)3×(1.3×10-17)2=1.69×10-40