2020版新一线高考化学（鲁科版）一轮复习教学案：高考专题讲座1　化学工艺流程试题的突破方略

(一)　化学工艺流程试题的突破方略

(对应学生用书第50页)

[试题背景分析]

化学工艺流程题是全国高考中的必考题型，它是传统的“无机框图题”的变革与创新，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学工艺试题。这类试题充分体现了“化学是真实的”这样一种命题指导思想。

1．呈现模式

2．识图方法

图1　　 　　图2　　　　　　图3

图1箭头表示反应物加入同时生成物出来；

图2箭头表示反应物分步加入和生成物出来；

图3箭头表示循环反应。

[试题三步审读]

1．读题干——明确原料成分和目的要求

2．读流程——明确各步转化原理和目的

(1)看箭头：进入的是投料(即反应物)；出去的是生成物(包括主产物和副产物)。

(2)看三线：主线主产品、分支副产品、回头为循环。

(3)找信息：明确反应条件控制和分离提纯方法。

(4)关注所加物质的可能作用：参与反应、提供反应氛围、满足定量要求。

3．读问题——明确答什么

(1)答非所问：要看清题目要求，按要求答题，防止答非所问。

(2)规范答题：回答问题要准确全面，注意语言表达的规范性，特别是化学用语的书写与表示要准确、规范。

[试题分类探究]

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

3.常用的分离方法

[深度归纳]　

1．增大原料浸出率(离子在溶液中被浸出的百分率)的措施：搅拌、升高温度、延长浸出时间、增大气体的流速(浓度、压强)、增大气液或固液接触面积。根据物质的具体性质，原料浸泡可分为水浸、酸浸、碱浸、醇浸等。

2．过滤问题

(1)3个基本操作

①检验溶液中离子是否沉淀完全的方法：将溶液静置一段时间后，用胶头滴管取上层清液少许放入小试管中，向其中滴入沉淀剂，若无沉淀生成，则说明离子沉淀完全。

②洗涤沉淀：沿玻璃棒往漏斗中加蒸馏水至液面浸没沉淀，待水自然流下后，重复操作2～3次。

③检验沉淀是否洗涤干净的方法：取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴入某试剂，若没有特征现象出现，则证明沉淀已洗涤干净。

(2)特定洗涤目的

①冰水洗涤的目的：洗去晶体表面的杂质离子并降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗。

②乙醇洗涤的目的：降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，得到较干燥的产物。

3．结晶方式

(1)蒸发浓缩、冷却结晶：适用于杂质的溶解度随温度变化不大的物质分离提纯，如除去KNO3中的少量NaCl或受热易分解的物质，如晶体水合物、铵盐等。

(2)蒸发结晶、趁热过滤：适用于杂质的溶解度随温度变化较大物质的分离提纯，可减少杂质晶体的析出，如除去NaCl中的少量KNO3。趁热过滤的方法：漏斗预热，用少量热蒸馏水通过过滤器，带加热装置的漏斗、抽滤。

提醒：晶体的干燥：要得到干燥的晶体，常见的干燥方法有自然晾干、滤纸吸干、在干燥器中干燥、烘干(适用于热稳定性较好的物质)。

4．调节溶液pH分离提纯

(1)控制溶液的酸碱性使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀。例如：已知下列物质开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表所示：

若要除去Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，可先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调节溶液的pH在3.7≤pH<8.3。

(2)调节pH所需的物质应满足两点：能与H＋反应，使溶液pH增大；不引入新杂质。例如：要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。

[典例导航]

(14分)(2018·全国卷Ⅱ，T26)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。一种以闪锌矿(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图所示：

相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

回答下列问题：

(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为______________________

___________________________________________________________。

(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有________；氧化除杂工序中ZnO的作用是________，若不通入氧气，其后果是________。

(3)溶液中的Cd2＋可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方程式为___________________________________________________________。

(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时，阴极的电极反应式为

___________________________________________________________；

沉积锌后的电解液可返回________工序继续使用。

[三步审读]

解析：(1)在焙烧过程中ZnS和O2反应生成ZnO和SO2。(2)溶液中的Pb2＋与SO不能共存，生成PbSO4沉淀，SiO2不溶于H2SO4，即滤渣1中含SiO2和PbSO4。氧化除杂过程中O2能将溶液中Fe2＋氧化生成Fe3＋，加入ZnO能调节溶液的pH，促进Fe3＋完全水解。由题表知Fe2＋、Zn2＋开始沉淀和沉淀完全时的pH非常接近，若不通入O2使Fe2＋氧化为Fe3＋，加入ZnO后无法除去Fe2＋，会影响Zn的纯度。(3)根据题中信息可知还原除杂工序中涉及的离子反应式为Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋。(4)结合图示可知电解ZnSO4溶液时生成Zn，即电解时Zn2＋在阴极被还原，电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn。沉积Zn后的电解液中主要含有H2SO4，可返回溶浸工序中继续使用。

答案：(1)2ZnS＋3O22ZnO＋2SO2(2分)　

(2)PbSO4(2分)　调节溶液的pH(2分)　无法除去杂质Fe2＋(2分)　(3)Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋(2分)

(4)Zn2＋＋2e－===Zn(2分)　溶浸(2分)

(1)“氧化除杂”过程除了加ZnO外还可以加___________________________，

O2的作用是_________________________________________________。

(2)滤渣洗涤的操作为_________________________________________

___________________________________________________________。

(3)“电解”制备Zn的阳极反应为______________________________。

答案：(1)Zn(OH)2或ZnCO3　把Fe2＋氧化为Fe3＋

(2)沿玻璃棒向漏斗中加蒸馏水至浸没沉淀，待蒸馏水自然流尽后，再重复操作2～3次

(3)4OH－－4e－===2H2O＋O2↑或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑

[对点训练]

1．(2019·郑州模拟)已知草酸镍晶体(NiC2O4·2H2O)难溶于水，工业上从废镍催化剂(主要成分为Ni，含有一定量的Al2O3、FeO、SiO2、CaO等)制备草酸镍晶体的流程如图所示：

已知：①相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见表中数据：

②Ksp(CaF2)＝1.46×10－10；

③当某物质浓度小于1.0×10－5 mol·L－1时，视为完全沉淀。

请回答下列问题：

(1)请写出一种能提高“酸浸”速率的措施：___________________________________________________________。

(2)试剂a是一种绿色氧化剂，写出“氧化”时反应的离子方程式：___________________________________________________________。

(3)“调pH”时pH的调控范围为________，试用化学反应原理的相关知识解释滤渣Ⅱ的生成：_____________________________________________

___________________________________________________________。

(4)写出“沉镍”时发生反应的离子方程式：____________________________

___________________________________________________________，

证明Ni2＋已经沉淀完全的实验步骤及现象是________________________

___________________________________________________________，

当Ca2＋沉淀完全时，溶液中c(F－)>________ mol·L－1(写出计算式即可)。

(5)操作a的内容是__________________________________________。

解析：(1)把废镍催化剂粉碎，或适当加热、适当增大酸的浓度或提高搅拌速率等都可以提高酸浸速率。

(2)试剂a是过氧化氢，反应的离子方程式为2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O。

(3)因为铁、铝是以氢氧化铁和氢氧化铝的形式沉淀下来的，并且不能使镍离子形成沉淀，故pH范围为5.0≤pH<6.8；加入Ni(OH)2消耗溶液中的氢离子，促使铁离子、铝离子的水解平衡向右移动，使铁离子、铝离子转化为相应的沉淀而除去。

(4)加入草酸铵后生成的固体是NiC2O4·2H2O，因此有水参加反应，故反应的离子方程式为Ni2＋＋C2O＋2H2O===NiC2O4·2H2O↓。若镍离子没有完全沉淀，则继续加入草酸铵，仍会有沉淀生成，所以证明Ni2＋已经沉淀完全的操作及实验现象是：取适量上层清液于试管中，继续滴加(NH4)2C2O4溶液，无沉淀生成。钙离子沉淀完全的标志是溶液中钙离子的物质的量浓度小于1.0×10－5 mol·L－1，结合CaF2的Ksp可求出c(F－)> mol·L－1。

(5)从溶液中分离出晶体需要进行过滤、洗涤、干燥。

答案：(1)把废镍催化剂粉碎(或适当加热、适当增大酸的浓度或提高搅拌速率等)

(2)2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O

(3)5.0≤pH<6.8　加入Ni(OH)2消耗溶液中的H＋，促使铁离子、铝离子的水解平衡右移，使铁离子、铝离子转化为相应的沉淀

(4)Ni2＋＋C2O＋2H2O===NiC2O4·2H2O↓　取适量上层清液于试管中，继续滴加(NH4)2C2O4溶液，无沉淀生成　

(5)过滤、洗涤、干燥

1．物质制备过程的条件控制

(1)控制体系的环境氛围

①需要在酸性气流中干燥FeCl3、AlCl3、MgCl2等含水晶体，抑制水解并带走因分解产生的水汽。

②营造还原性氛围，防止还原性物质被氧化。如加入铁粉防止Fe2＋被氧化。

③加入氧化剂进行氧化。如加入绿色氧化剂H2O2将Fe2＋氧化转化为Fe3＋，绿色氧化剂H2O2的优点：不引入新杂质，对环境无污染。

(2)控制反应温度

①加热：加速溶解、加快反应速率或促进平衡向某个方向移动(如促进水解生成沉淀)。

②降温：防止某物质在某温度时会溶解或分解，或促进平衡向某个方向移动。

③控制温度在一定范围内：综合多方面因素考虑。如使反应速率不至于太慢、抑制或促进平衡移动、防止反应物分解、防止副反应发生、使催化剂的催化活性最高等。

④如题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要根据它们溶解度随温度升高而改变的情况，寻找合适的结晶分离方法。

2．在流程题中，常会看到压强、温度等外界条件的出现，不同的工艺对化学反应的温度或压强有不同的要求，其所起的作用也不一样，但都是能否达到实验目的的关键所在，也是命题专家们经常考查的地方。对外界条件的分析主要从对反应速率和平衡转化率的影响这两个方面着手。如

①使催化剂的活性达到最高：如工业合成氨或SO2的催化氧化反应，选择的温度是500 ℃左右，原因之一就是这样可使催化剂的活性达到最高。

②对于一些工艺来说，降温或减压都可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的目的。

[典例导航]

(14分)(2015·全国卷Ⅰ，T27)硼及其化合物在工业上有许多用途。以①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②制备硼酸(H3BO3)的③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④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⑤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⑥H2O2溶液，作用是___________________

___________________________________________________________。

然后再调节溶液的⑦pH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⑧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⑨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__________________________。

[三步审读]　

答案：(除特殊标注外，每空1分)(1)Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42H3BO3＋2MgSO4(3分)　提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径

(2)Fe3O4　SiO2和CaSO4(提示：Fe3O4具有磁性。“浸渣”中除含Fe3O4外，还含有与H2SO4不反应的SiO2，以及CaO与H2SO4反应生成的微溶物CaSO4。)

(3)将Fe2＋氧化成Fe3＋　使Fe3＋与Al3＋形成氢氧化物沉淀而除去(2分)

(4)(七水)硫酸镁(滤液中含有MgSO4)

(6)2H3BO3B2O3＋3H2O、B2O3＋3Mg2B＋3MgO(3分)

(1)Al2O3、FeO与硫酸溶液反应的离子方程式为_____________________

___________________________________________________________、

___________________________________________________________。

(2)“净化杂质”加H2O2溶液反应的离子方程式为______________________

___________________________________________________________。

(3)过滤用到的玻璃仪器有漏斗、__________________；蒸发浓缩用到的玻璃仪器有酒精灯、_______________________________________________

___________________________________________________________。

答案：(1)Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O　FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O

(2)2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O

(3)烧杯、玻璃棒　蒸发皿、玻璃棒

[对点训练]

2．(2019·东北三省联考)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被溶解进入浸出液，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)母液中可循环利用的物质是HNO3，若母液中残留的SO过多，则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[c(Pb2＋)≤1.0×10－5 mol·L－1]，则溶液中的c(SO)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)Pb能与稀硝酸发生氧化还原反应，其化学方程式为3Pb＋8HNO3===3Pb(NO3)2＋2NO↑＋4H2O。由于金属活泼性：Pb＞Ag，故步骤Ⅰ中为了防止Ag溶解进入浸出液，需控制硝酸的用量并使铅浮渣(或Pb)稍有剩余。(2)根据题图可知所得粗PbSO4产品中含有CaSO4杂质，根据PbSO4、CaSO4的溶度积常数可知相同条件下PbSO4更难溶，为了得到纯净的PbSO4，可用硝酸铅溶液多次洗涤粗产品，使CaSO4转化为PbSO4，再用蒸馏水洗涤。(3)若母液中残留的SO过多，则其会与浸出时生成的Pb2＋反应生成PbSO4，PbSO4会随浸出渣排出，从而降低PbSO4的产率。(4)步骤Ⅱ中Pb2＋完全沉淀时溶液中c(Pb2＋)≤1.0×10－5 mol·L－1，则溶液中c(SO)至少为 mol·L－1＝1.6×10－3 mol·L－1。(5)根据题中信息可知PbSO4与CH3COONH4发生复分解反应得到(CH3COO)2Pb，其离子方程式为PbSO4＋2CH3COO－===(CH3COO)2Pb＋SO。

答案：(1)3Pb＋8HNO3===3Pb(NO3)2＋2NO↑＋4H2O　控制硝酸的用量并使铅浮渣(或Pb)稍有剩余(其他合理答案均可)　(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)1.6×10－3　(5)PbSO4＋2CH3COO－===(CH3COO)2Pb＋SO