高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 專題講座1 化學(xué)工藝流程試題的解題策略教師用書 新人教版

專題講座(一)　 化學(xué)工藝流程試題的解題策略 [題型分析] 1．試題結(jié)構(gòu)：工藝流程題的結(jié)構(gòu)分題引、題干和題設(shè)三部分。題引一般是簡(jiǎn)單介紹該工藝生產(chǎn)的原材料和生產(chǎn)的目的、產(chǎn)品(包括副產(chǎn)品)有時(shí)還提供相關(guān)表格、圖像等參考數(shù)據(jù)或信息；題干部分主要用框圖形式將原料到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝流程表示出來；題設(shè)主要是根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及的化學(xué)知識(shí)設(shè)置成一系列問題，構(gòu)成一道完整的化學(xué)試題。 一個(gè)完整的物質(zhì)制備化工生產(chǎn)流程一般具有下列特點(diǎn) 原料―→對(duì)原料的預(yù)處理―→核心化學(xué)反應(yīng)―→產(chǎn)品的提純、分離 ―→目標(biāo)產(chǎn)物 2．解題策略 (1)審題干：準(zhǔn)確分析題干中的信息，如生產(chǎn)目的、原料成分、產(chǎn)品成分、新物質(zhì)的性質(zhì)及相關(guān)反應(yīng)等，進(jìn)而分析每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)所發(fā)生的反應(yīng)和操作。 (2)審設(shè)問：結(jié)合題中的問題，回到流程圖中找答案。 [題型示例] (2017鄭州模擬)已知草酸鎳晶體(NiC2O42H2O)難溶于水，工業(yè)上從廢鎳催化劑(主要成分為Ni，含有一定量的Al2O3、FeO、SiO2、CaO等)制備草酸鎳晶體的流程如圖所示： 已知：①相關(guān)金屬離子生成氫氧化物沉淀的pH見表中數(shù)據(jù)： 金屬離子 Fe3＋ Fe2＋ Al3＋ Ni2＋ 開始沉淀的pH 1.1 5.8 3.0 6.8 完全沉淀的pH 3.2 8.8 5.0 9.5 ②Ksp(CaF2)＝1.4610－10； ③當(dāng)某物質(zhì)濃度小于1.010－5 molL－1時(shí)，視為完全沉淀。 請(qǐng)回答下列問題： 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：95812103】 (1)請(qǐng)寫出一種能提高“酸浸”速率的措施：________________。 (2)試劑a是一種綠色氧化劑，寫出“氧化”時(shí)反應(yīng)的離子方程式：_____。 (3)“調(diào)pH”時(shí)pH的調(diào)控范圍為________，試用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識(shí)解釋濾渣Ⅱ的生成：__________________________________。 (4)寫出“沉鎳”時(shí)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：______________________， 證明Ni2＋已經(jīng)沉淀完全的實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象是_______________________， 當(dāng)Ca2＋沉淀完全時(shí)，溶液中c(F－)>____________molL－1(寫出計(jì)算式即可)。 (5)操作a的內(nèi)容是__________________________________。 [解析]　(1)把廢鎳催化劑粉碎，或適當(dāng)加熱、適當(dāng)增大酸的濃度或提高攪拌速率等都可以提高酸浸速率。 (2)試劑a是過氧化氫，反應(yīng)的離子方程式為2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O。 (3)因?yàn)殍F、鋁是以氫氧化鐵和氫氧化鋁的形式沉淀下來的，并且不能使鎳離子形成沉淀，故pH范圍為5.0≤pH<6.8；加入Ni(OH)2消耗溶液中的氫離子，促使鐵離子、鋁離子的水解平衡向右移動(dòng)，使鐵離子、鋁離子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的沉淀而除去。 (4)加入草酸銨后生成的固體是NiC2O42H2O，因此有水參加反應(yīng)，故反應(yīng)的離子方程式為Ni2＋＋C2O＋2H2O===NiC2O42H2O↓。若鎳離子沒有完全沉淀，則繼續(xù)加入草酸銨，仍會(huì)有沉淀生成，所以證明Ni2＋已經(jīng)沉淀完全的操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：取適量上層清液于試管中，繼續(xù)滴加(NH4)2C2O4溶液，無沉淀生成。鈣離子沉淀完全的標(biāo)志是溶液中鈣離子的物質(zhì)的量濃度小于1.010－5 molL－1，結(jié)合CaF2的Ksp可求出c(F－)> molL－1。 (5)從溶液中分離出晶體需要進(jìn)行過濾、洗滌、干燥。 [答案]　(1)把廢鎳催化劑粉碎(或適當(dāng)加熱、適當(dāng)增大酸的濃度或提高攪拌速率等) (2)2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O (3)5.0≤pH<6.8　加入Ni(OH)2消耗溶液中的H＋，促使鐵離子、鋁離子的水解平衡右移，使鐵離子、鋁離子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的沉淀 (4)Ni2＋＋C2O＋2H2O===NiC2O42H2O↓　取適量上層清液于試管中，繼續(xù)滴加(NH4)2C2O4溶液，無沉淀生成　 (5)過濾、洗滌、干燥 　(2017合肥模擬)高純活性氧化鋅可用于光催化、光電極、彩色顯影等領(lǐng)域。以工業(yè)級(jí)氧化鋅(含F(xiàn)e2＋、Mn2＋、Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等)為原料，用硫酸浸出法生產(chǎn)高純活性氧化鋅的工藝流程如下： 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：95812104】 已知Ksp[Fe(OH)3]＝4.010－38。 回答下列問題： (1)浸出時(shí)，為了提高浸出效率可采取的措施有(寫兩種)：_____________。 (2)氧化時(shí)，加入KMnO4溶液是為了除去浸出液中的Fe2＋和Mn2＋(溶液中Mn全部轉(zhuǎn)化為MnO2)，請(qǐng)配平下列除去Fe2＋的離子方程式： 　MnO＋　Fe2＋＋　________===　MnO2↓＋　Fe(OH)3↓＋　H＋ (3)加入鋅粉的目的是_____________________________________。 (4)已知H2SO4浸出液中，c(Fe2＋)＝5.04 mgL－1、c(Mn2＋)＝1.65 mgL－1。 ①加入KMnO4溶液反應(yīng)一段時(shí)間后，溶液中c(Fe3＋)＝0.56 mgL－1，若溶液pH＝3，則此時(shí)Fe3＋________(填“能”或“不能”)生成沉淀。 ②若要除盡1 m3上述浸出液中的Fe2＋和Mn2＋，需加入________ g KMnO4。 [解析]　(1)為了提高浸出效率，可以適當(dāng)增大硫酸濃度、攪拌、將固體粉碎、提高浸出溫度等。(2)錳元素由＋7價(jià)降低到＋4價(jià)，而鐵元素由＋2價(jià)升高到＋3價(jià)，根據(jù)得失電子守恒、元素守恒和電荷守恒配平方程式。(3)加入鋅粉的目的是消耗溶液中的H＋，調(diào)節(jié)溶液，pH，促進(jìn)溶液中的Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等形成沉淀而除去。(4)①c(Fe3＋)＝＝1.010－5 molL－1，此時(shí)溶液中c(OH－)＝1.010－11molL－1，c(Fe3＋)c3(OH－)＝1.010－38<Ksp[Fe(OH)3]，故不能生成Fe(OH)3沉淀。②加入KMnO4將Fe2＋和Mn2＋分別氧化為Fe3＋和MnO2，而KMnO4被還原為MnO2，根據(jù)得失電子守恒可知，加入KMnO4的質(zhì)量為 158 gmol－1＝7.9 g。 [答案]　(1)將工業(yè)級(jí)氧化鋅粉碎、攪拌(其他合理答案也可) (2)1　3　7　H2O　1　3　5 (3)調(diào)節(jié)溶液pH，除去溶液中的Cu2＋、Ni2＋、Cd2＋等 (4)①不能?、?.9 無機(jī)化工流程題考查的熱點(diǎn) 1．原料的各項(xiàng)預(yù)處理操作或目的 (1)溶解：通常用酸進(jìn)行溶解，如硫酸、鹽酸等。 (2)灼燒、焙燒、煅燒：改變物質(zhì)結(jié)構(gòu)，使一些物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標(biāo)物質(zhì)，或使一些雜質(zhì)在高溫下氧化或分解。 (3)控制反應(yīng)條件：因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)是有條件的，往往需要在一定的濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑和酸堿性等條件下進(jìn)行，所以生產(chǎn)中必須控制反應(yīng)條件，其中溫度和酸度的控制是條件控制的兩大主旋律?？刹捎盟〖訜帷⒂驮〖訜岬瓤刂茰囟?，防止溫度過高時(shí)反應(yīng)物或生成物發(fā)生分解導(dǎo)致產(chǎn)率降低。 (4)調(diào)節(jié)溶液的pH：①控制溶液的酸堿性使其中某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。如含Mn2＋的溶液中同時(shí)含有Fe2＋，可先加氧化劑將Fe2＋氧化為Fe3＋，再調(diào)節(jié)溶液的酸度為3.7≤pH＜8.3，即可使Fe3＋轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀。②調(diào)節(jié)溶液的pH時(shí)，所選的物質(zhì)應(yīng)滿足兩點(diǎn)：一是能與H＋或OH－反應(yīng)，二是不引入新的雜質(zhì)。 (5)加熱：加快化學(xué)反應(yīng)速率或促使化學(xué)平衡向某個(gè)方向移動(dòng)。 (6)降溫：防止某物質(zhì)在高溫時(shí)溶解(或分解)或使化學(xué)平衡向著題目要求的方向移動(dòng)。 2．產(chǎn)品分離和提純的方法或操作 (1)蒸發(fā)：蒸發(fā)掉一部分溶劑。有時(shí)要考慮反應(yīng)時(shí)的氣體氛圍以抑制某物質(zhì)發(fā)生水解。 (2)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶：適用于雜質(zhì)的溶解度隨溫度變化不大的物質(zhì)的分離、提純。 (3)蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾：適用于雜質(zhì)的溶解度隨溫度變化較大的物質(zhì)的分離、提純，可減少雜質(zhì)晶體的析出。 (4)晶體的干燥：常見的干燥方法為自然晾干、濾紙吸干、干燥器中烘干。 (5)沉淀的洗滌：由于沉淀生成時(shí)，表面會(huì)吸附一定量的離子(尤其是沉淀成分離子)。因此過濾后要進(jìn)行沉淀的洗滌。洗滌方法是向過濾器中慢慢注入適量蒸餾水，至剛好沒過沉淀，然后靜置，讓其自然流下，重復(fù)以上操作2～3次，直至洗滌干凈。為了減少沉淀(或晶體)的溶解，可用冰水或有機(jī)溶劑洗滌。 (6)沉淀是否洗滌干凈的檢驗(yàn)：主要檢驗(yàn)洗滌液中是否還含有沉淀表面吸附的離子。一般的檢驗(yàn)方法：取少量最后一次的洗滌液，置于一潔凈的試管中，滴加少量的檢驗(yàn)試劑，若沒有特征現(xiàn)象出現(xiàn)，說明沉淀洗滌干凈。 (7)從溶液中得到晶體的一般過程：蒸發(fā)濃縮→冷卻結(jié)晶→過濾→洗滌→干燥。 3．步驟中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式(或離子方程式)的書寫 書寫化學(xué)方程式(或離子方程式)時(shí)，首先要明確反應(yīng)物、生成物及反應(yīng)條件等，然后根據(jù)各種守恒關(guān)系配平化學(xué)方程式(或離子方程式)。 [對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練] 1．(2016全國丙卷節(jié)選)過氧化鈣微溶于水，溶于酸，可作分析試劑、醫(yī)用防腐劑、消毒劑。以下是一種制備過氧化鈣的實(shí)驗(yàn)方法?；卮鹣铝袉栴}： 過氧化鈣的制備 CaCO3濾液 白色結(jié)晶 (1)步驟①的具體操作為逐滴加入稀鹽酸，至溶液中尚存有少量固體，此時(shí)溶液呈________性(填“酸”、“堿”或“中”)。將溶液煮沸，趁熱過濾。將溶液煮沸的作用是________________。 (2)步驟②中反應(yīng)的化學(xué)方程式為_________________________________， 該反應(yīng)需要在冰浴下進(jìn)行，原因是______________________________。 (3)將過濾得到的白色結(jié)晶依次使用蒸餾水、乙醇洗滌，使用乙醇洗滌的目的是_________________________________________________________________。 (4)制備過氧化鈣的另一種方法是：將石灰石煅燒后，直接加入雙氧水反應(yīng)，過濾后可得到過氧化鈣產(chǎn)品。該工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是_______________________， 產(chǎn)品的缺點(diǎn)是________。 [解析]　(1)步驟①中逐滴加入稀鹽酸，至溶液中尚存有少量固體，該固體為CaCO3，溶液中含有CaCl2，由于溶解了生成的CO2，溶液呈弱酸性。將溶液煮沸，可排出溶解的CO2，防止與后續(xù)加入的氨水及生成的CaO2反應(yīng)。(2)濾液中含有CaCl2，加入氨水和雙氧水在冰浴條件下反應(yīng)，經(jīng)過濾得到白色晶體(CaO2)，結(jié)合元素守恒推知步驟②中反應(yīng)還生成NH4Cl和H2O，化學(xué)方程式為CaCl2＋2NH3H2O＋H2O2＋6H2O===CaO28H2O↓＋2NH4Cl或CaCl2＋2NH3H2O＋H2O2===CaO2↓＋2NH4Cl＋2H2O。H2O2不穩(wěn)定，受熱易分解生成H2O和O2，故該反應(yīng)在冰浴條件下進(jìn)行，其目的是防止H2O2受熱分解。(3)過氧化鈣微溶于水，能溶于酸，白色結(jié)晶(CaO2)可依次使用蒸餾水、乙醇洗滌，使用乙醇洗滌的目的是去除結(jié)晶表面水分。(4)將石灰石煅燒后，直接加入雙氧水反應(yīng)，過濾后可得到過氧化鈣產(chǎn)品。與第一種方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、操作方便；產(chǎn)品的缺點(diǎn)是純度較低。 [答案]　(1)酸　除去溶液中的CO2　(2)CaCl2＋2NH3H2O＋H2O2＋6H2O===CaO28H2O↓＋2NH4Cl或CaCl2＋2NH3H2O＋H2O2===CaO2↓＋2NH4Cl＋2H2O　溫度過高時(shí)雙氧水易分解　(3)去除結(jié)晶表面水分　(4)工藝簡(jiǎn)單、操作方便　純度較低 2．(2013全國卷Ⅱ)氧化鋅為白色粉末，可用于濕疹、癬等皮膚病的治療。純化工業(yè)級(jí)氧化鋅[含有Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)等雜質(zhì)]的流程如下： 提示：在本實(shí)驗(yàn)條件下，Ni(Ⅱ)不能被氧化；高錳酸鉀的還原產(chǎn)物是MnO2。 回答下列問題： (1)反應(yīng)②中除掉的雜質(zhì)離子是 ____________，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為 _____________________________________________________________； 在加高錳酸鉀溶液前，若pH較低，對(duì)除雜的影響是_________________。 (2)反應(yīng)③的反應(yīng)類型為________，過濾得到的濾渣中，除了過量的鋅外還有________。 (3)反應(yīng)④形成的沉淀要用水洗，檢驗(yàn)沉淀是否洗滌干凈的方法是 _______________________________________________________。 (4)反應(yīng)④中產(chǎn)物的成分可能是ZnCO3xZn(OH)2。取干燥后的濾餅11.2 g，煅燒后可得到產(chǎn)品8.1 g，則x等于________。 [解析]　從分析整個(gè)流程圖入手，明確每步發(fā)生的反應(yīng)，從而解決相關(guān)問題。 (1)在反應(yīng)②中，通過調(diào)節(jié)溶液的pH，高錳酸鉀能將溶液中的Fe2＋氧化為Fe3＋，將Mn2＋氧化為MnO2而除去；若開始溶液的pH過低，F(xiàn)e2＋、Mn2＋將很難生成沉淀而除去。 (2)第一次過濾后的濾液中含有的陽離子有Zn2＋、Ni2＋、H＋等，加入鋅后可將Ni置換出來，故濾渣中還含有金屬鎳。 (3)反應(yīng)④生成的沉淀為ZnCO3，同時(shí)生成Na2SO4，若沉淀未洗滌干凈，洗滌液中應(yīng)含有SO和Na＋，故只要對(duì)洗滌液中是否含有SO進(jìn)行檢驗(yàn)即可。 (4)煅燒過程中ZnCO3、Zn(OH)2均發(fā)生分解反應(yīng)生成ZnO，根據(jù)關(guān)系式ZnCO3xZn(OH)2～(x＋1)ZnO，可得＝，故x＝1。 [答案]　(1)Fe2＋和Mn2＋　MnO＋3Fe2＋＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋，2MnO＋3Mn2＋＋2H2O===5MnO2↓＋4H＋　鐵離子和錳離子不能生成沉淀，從而無法除去鐵和錳雜質(zhì) (2)置換反應(yīng)　鎳 (3)取少量水洗液于試管中，滴入1～2滴稀硝酸，再滴入硝酸鋇溶液，若無白色沉淀生成，則說明沉淀已經(jīng)洗滌干凈　(4)1 3．高錳酸鉀在飲用水和工業(yè)污水處理領(lǐng)域的消費(fèi)增長較快。實(shí)驗(yàn)室可用軟錳礦(主要成分為MnO2)為原料制備高錳酸鉀。其部分流程如圖所示： 已知：①流程中所加軟錳礦中含50 g MnO2；②生成墨綠色浸出液的反應(yīng)為：KClO3＋3MnO2＋6KOH===3K2MnO4＋KCl＋3H2O。 回答下列問題： (1)實(shí)驗(yàn)中采用鐵坩堝而不是瓷坩堝的原因是_____________________。 (2)通入CO2，可使MnO發(fā)生反應(yīng)，生成MnO及MnO2，寫出該反應(yīng)的離子方程式：______________________________________； 若通入CO2太多，則在加熱濃縮時(shí)，會(huì)有________晶體和KMnO4晶體一起析出。 (3)在加熱、濃縮、烘干的過程中溫度不宜過高，其原因是____________； 趁熱過濾的目的是______________；加熱時(shí)用玻璃棒不斷攪拌溶液的目的是 ______________________________________________________________； 洗滌KMnO4晶體用冷水洗滌較好的原因是______________________。 (4)計(jì)算12.25 g KClO3固體經(jīng)過上述轉(zhuǎn)化，最多可制得KMnO4的質(zhì)量為___(結(jié)果保留一位小數(shù))。 [解析]　(1)瓷坩堝的主要成分中含有SiO2，KOH熔融時(shí)會(huì)與SiO2反應(yīng)，因此選擇鐵坩堝。(2)通入CO2時(shí)，一部分MnO被氧化成MnO，另一部分MnO被還原成MnO2；若通入CO2太多，則有KHCO3生成。(3)在加熱、濃縮、烘干的過程中溫度不宜過高，原因是高溫下KMnO4容易分解；且低溫時(shí)KMnO4在水中的溶解度小，高溫時(shí)在水中的溶解度大，趁熱過濾是為了防止KMnO4結(jié)晶析出；加熱時(shí)用玻璃棒不斷攪拌溶液的目的是使溶液受熱均勻利于溶劑蒸發(fā)；洗滌KMnO4晶體用冷水是為了減少KMnO4的溶解。(4)根據(jù)關(guān)系式KClO3～3K2MnO4,3MnO～2MnO，可得：KClO3～2KMnO4，則最多可制得KMnO4的質(zhì)量為2158 gmol－1＝31.6 g。 [答案]　(1)在高溫下，瓷坩堝可以和KOH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(或SiO2＋2KOHK2SiO3＋H2O)　(2)3MnO＋2CO2===2MnO＋MnO2↓＋2CO　KHCO3　(3)高溫會(huì)導(dǎo)致KMnO4分解　防止KMnO4結(jié)晶析出　受熱均勻利于蒸發(fā)溶劑　減少KMnO4的溶解　(4)31.6 g 工藝流程試題的解題技巧 (1)首尾分析法：對(duì)一些線型流程工藝(從原料到產(chǎn)品為一條龍的生產(chǎn)工序)試題，首先對(duì)比分析流程圖中第一種物質(zhì)(原材料)與最后一種物質(zhì)(產(chǎn)品)，從對(duì)比分析中找出原料與產(chǎn)品之間的關(guān)系，弄清生產(chǎn)過程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本原理和除雜、分離、提純產(chǎn)品的化工工藝，然后再結(jié)合題設(shè)的問題，逐一推敲解答。 (2)分段分析法：對(duì)于用同樣的原材料生產(chǎn)多種(兩種或兩種以上)產(chǎn)品(包括副產(chǎn)品)的工業(yè)流程題，用分段分析法更容易找到解題的切入點(diǎn)。 (3)交叉分析法：有些化工生產(chǎn)選用多組原材料，先合成一種或幾種中間產(chǎn)品，再用這一中間產(chǎn)品與部分其他原材料生產(chǎn)所需的主流產(chǎn)品，這種題適合用交叉分析法。就是將提供的工業(yè)流程示意圖結(jié)合常見化合物的制取原理劃分成幾條生產(chǎn)流水線，然后上下交叉分析。