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)知識設(shè)置成一系列問題，構(gòu)成一道完整的化學(xué)試題。 一個完整的物質(zhì)制備化工生產(chǎn)流程一般具有下列特點 原料―→對原料的預(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，視為完全沉淀。 請回答下列問題： 【導(dǎo)學(xué)號：95812103】 (1)請寫出一種能提高“酸浸”速率的措施：________________。 (2)試劑a是一種綠色氧化劑，寫出“氧化”時反應(yīng)的離子方程式：_____。 (3)“調(diào)pH”時pH的調(diào)控范圍為________，試用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識解釋濾渣Ⅱ的生成：__________________________________。 (4)寫出“沉鎳”時發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：______________________， 證明Ni2＋已經(jīng)沉淀完全的實驗步驟及現(xiàn)象是_______________________， 當(dāng)Ca2＋沉淀完全時，溶液中c(F－)>____________molL－1(寫出計算式即可)。 (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)因為鐵、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，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，仍會有沉淀生成，所以證明Ni2＋已經(jīng)沉淀完全的操作及實驗現(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：95812104】 已知Ksp[Fe(OH)3]＝4.010－38。 回答下列問題： (1)浸出時，為了提高浸出效率可采取的措施有(寫兩種)：_____________。 (2)氧化時，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)一段時間后，溶液中c(Fe3＋)＝0.56 mgL－1，若溶液pH＝3，則此時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價降低到＋4價，而鐵元素由＋2價升高到＋3價，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　②7.9 無機(jī)化工流程題考查的熱點 1．原料的各項預(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：因為化學(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?、油浴加熱等控制溫度，防止溫度過高時反應(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，所選的物質(zhì)應(yīng)滿足兩點：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)平衡向某個方向移動。 (6)降溫：防止某物質(zhì)在高溫時溶解(或分解)或使化學(xué)平衡向著題目要求的方向移動。 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。有時要考慮反應(yīng)時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，表面會吸附一定量的離子(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：主要檢驗洗滌液中是否還含有沉淀表面吸附的離子。一般的檢驗方法：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，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)。 [對點訓(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驗方法。回答下列問題： 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)點是_______________________， 產(chǎn)品的缺點是________。 [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)點是工藝簡單、操作方便；產(chǎn)品的缺點是純度較低。 [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　溫度過高時雙氧水易分解　(3)去除結(jié)晶表面水分　(4)工藝簡單、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：在本實驗條件下，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＋，故只要對洗滌液中是否含有SO進(jìn)行檢驗即可。 (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)域的消費增長較快。實驗室可用軟錳礦(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)實驗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，會有________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熔融時會與SiO2反應(yīng)，因此選擇鐵坩堝。(2)通入CO2時，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KMnO4在水中的溶解度小，高溫時在水中的溶解度大，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。 (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。