高考化学二轮习题无机化学工艺流程题的解题策略

高考化学二轮习题无机化学工艺流程题的解题策略

常考专题讲座(三)　无机化学工艺流程题的解题策略[学生用书P66]‎ 考查特点 工艺流程题就是将化工生产中的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，是无机框图题的创新，题目常常以现代工业生产为基础，将化学工艺流程进行简化，与化工生产成本、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、分离等基本实验原理在化工生产中的实际应用，是近几年高考化学命题中的常考题型。‎ 解题指导 一、题型结构 ‎1．化工流程线路示意图 ‎(1)箭头：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)三线：物料进出线、操作流程线、循环操作线。‎ ‎2．涉及问题 ‎(1)原料的预处理。‎ ‎(2)反应条件的控制(温度、压强、催化剂、原料配比、pH、溶剂等)。‎ ‎(3)反应原理(化学平衡、水解平衡、化学反应速率、反应热、电化学等)。‎ ‎(4)绿色化学问题(物质循环利用、废物的处理、原子利用率、能量充分利用等)。‎ ‎(5)化工安全(防爆、防污染、防中毒等)。‎ 二、解题思路及方法 ‎1．解题思路 ‎2．解题方法 ‎(1)首尾分析法：对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题，首先对比分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品)，‎ 从对比分析中找出原料与产品之间的关系，弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺，然后再结合题设的问题，逐一推敲解答。‎ ‎(2)分段分析法：对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工业流程题，用分段分析法更容易找到解题的切入点。‎ ‎(3)交叉分析法：有些化工生产选用多组原材料，先合成一种或几种中间产品，再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品，这种题适合用交叉分析法。就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理划分成几条生产流水线，然后上下交叉分析。‎ ‎3．答题步骤 ‎(1)从题干中获取有用信息，了解生产的产品。‎ ‎(2)整体浏览一下流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段。‎ ‎(3)分析流程中的每一步骤，并获取以下信息：‎ ‎①知道“四个什么”‎ 反应物是什么，发生了什么反应，该反应造成了什么后果，对制造产品有什么作用。‎ ‎②抓住“一个关键”‎ 一切反应或操作都是为获得产品而服务。‎ ‎(4)从问题中获取信息，帮助解题。‎ ‎4．规范解答 ‎(1)文字叙述类的题目要规范解答，防止出现因叙述不严谨导致的失分，如 ‎①如何洗涤沉淀：往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流下后，重复以上操作2～3次。‎ ‎②如何证明沉淀完全：如向含SO的溶液中加BaCl2溶液，将沉淀静置，取上层清液，再加BaCl2溶液，若无白色沉淀生成，说明沉淀完全。‎ ‎③如何从溶液中得到晶体：蒸发浓缩—冷却结晶—过滤—洗涤—干燥。‎ ‎④在写某一步骤是为了除杂时，应该注明“是为了除去××杂质”，只写“除杂”等一类万能式的回答是不正确的。‎ ‎(2)认真审题，不要因审题不细致而失分，如 ‎①填“化学方程式”还是“离子方程式”。‎ ‎②填“名称”、“符号”还是“代号”、“序号”等。‎ ‎③填“大于”还是“>”，“增大”还是“变大”等。‎ ‎④填“化学式”、“分子式”、“结构式”、“结构简式”、“最简式”还是“电子式”等。‎ ‎⑤书写化学方程式时要注意配平、注明反应条件以及“―→”、“===”、“”、“↑”、“↓”等。‎ 三、答题的必备知识 ‎1．对原料进行预处理的常用方法及其作用 ‎(1)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。‎ ‎(2)水浸——与水接触反应或溶解。‎ ‎(3)酸浸——与酸接触反应或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去。‎ ‎(4)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的灼烧就是为了除去可燃性杂质。‎ ‎(5)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。‎ ‎2．常用的控制反应条件的方法 ‎(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。调节pH所需的物质一般应满足两点：‎ ‎①能与H＋反应，使溶液pH增大；‎ ‎②不引入新杂质。‎ 例如：若要除去Cu2＋中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH，不可加入NaOH溶液、氨水等。‎ ‎(2)控制温度。根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动。‎ ‎(3)控制压强。改变速率，影响平衡。‎ ‎(4)使用正催化剂。加快反应速率，缩短达到平衡需要的时间。‎ ‎(5)趁热过滤。防止某些物质降温时析出。‎ ‎(6)冰水洗涤。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。‎ ‎3．明确常用的提纯方法 ‎(1)水溶法：除去可溶性杂质。‎ ‎(2)酸溶法：除去碱性杂质。‎ ‎(3)碱溶法：除去酸性杂质。‎ ‎(4)氧化剂或还原剂法：除去还原性或氧化性杂质。‎ ‎(5)加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。‎ ‎(6)调节溶液的pH法：如除去酸性含铜溶液中的Fe3＋等。‎ ‎4．明确常用的分离方法 ‎(1)过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法。‎ ‎(2)萃取和分液：利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。‎ ‎(3)蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。‎ ‎(4)冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。‎ ‎(5)蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。‎ ‎(6)冷却法：利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气。‎ ‎5．物质分离、提纯的原则 ‎(1)不增：不引入新的杂质。‎ ‎(2)不减：不减少被提纯物。‎ ‎(3)易分离：被提纯物与杂质容易分离。‎ ‎(4)易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成状态。‎ ‎6．物质分离、提纯注意事项 ‎(1)除杂试剂需过量。‎ ‎(2)过量试剂需除去。‎ ‎(3)除去多种杂质时要考虑加入试剂的顺序。‎ ‎(4)选择最佳除杂途径。‎ 题型一　以分离、提纯为目的的工艺流程题 ‎　(2013·高考新课标全国卷Ⅱ)氧化锌为白色粉末，可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。纯化工业级氧化锌[含有Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)等杂质]的流程如下：‎ 工业ZnO浸出液滤液 滤液 滤饼ZnO 提示：在本实验条件下，Ni(Ⅱ)不能被氧化；高锰酸钾的还原产物是MnO2。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)反应②中除掉的杂质离子是________，发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________；‎ 在加高锰酸钾溶液前，若pH较低，对除杂的影响是________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)反应③的反应类型为________，过滤得到的滤渣中，除了过量的锌外还有________。‎ ‎(3)反应④形成的沉淀要用水洗，检验沉淀是否洗涤干净的方法是________________________________________________________________________。‎ ‎(4)反应④中产物的成分可能是ZnCO3·xZn(OH)2。取干燥后的滤饼11.2 g，煅烧后可得到产品8.1 g。则x等于________。‎ ‎[解析]　从分析整个流程图入手，明确每步发生的反应，从而解决相关问题。‎ ‎(1)在反应②中，通过调节溶液的pH，高锰酸钾能将溶液中的Fe2＋氧化为Fe3＋，将Mn2＋氧化为MnO2而除去；若开始溶液的pH过低，Fe2＋、Mn2＋将很难生成沉淀而除去。‎ ‎(2)第一次过滤后的滤液中含有的阳离子有Zn2＋、Ni2＋、H＋等，加入锌后可将Ni置换出来，故滤渣中还含有金属镍。‎ ‎(3)反应④生成的沉淀为ZnCO3，同时生成Na2SO4，若沉淀未洗涤干净，洗涤液中应含有SO和Na＋，故只要对洗涤液中是否含有SO进行检验即可。‎ ‎(4)煅烧过程中ZnCO3、Zn(OH)2均发生分解反应生成ZnO，根据关系式ZnCO3·xZn(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＋　铁离子和锰离子不能生成沉淀，从而无法除去铁和锰杂质 ‎(2)置换反应　镍 ‎(3)取少量水洗液于试管中，滴入1～2滴稀硝酸，再滴入硝酸钡溶液，若无白色沉淀生成，则说明沉淀已经洗涤干净 ‎(4)1‎ ‎1．实验室利用硫酸厂烧渣(主要成分为铁的氧化物及少量FeS、SiO2等)制备聚铁(碱式硫酸铁的聚合物)和绿矾(FeSO4·7H2O)，主要工艺流程如下。‎ ‎(1)将过程②产生的气体通入下列溶液中，溶液会褪色的是________。‎ A．品红溶液 B．紫色石蕊试液 C．酸性KMnO4溶液 D．溴水 ‎(2)过程①中，FeS、O2和H2SO4反应的化学方程式为 ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)过程③中需加入的物质是________。‎ ‎(4)过程④中，蒸发结晶时需使用的仪器除酒精灯、三脚架外，还需要________。‎ ‎(5)过程⑤调节pH可选用下列试剂中的________(填序号)。‎ A．稀硫酸　　　 B．CaCO3　　　C．NaOH溶液 ‎(6)过程⑥中，将溶液Z加热到70～80 ℃，目的是___________________________。‎ ‎(7)实验室为测量所得到的聚铁样品中铁元素的质量分数，进行下列实验。①用分析天平称取2.700 0 g样品；②将样品溶于足量的盐酸后，加入过量的BaCl2溶液；③过滤、洗涤、干燥，称重得固体质量为3.495 0 g。若该聚铁的主要成分为[Fe(OH)SO4]n，则该聚铁样品中铁元素的质量分数为________。(假设杂质中不含铁元素和硫元素)‎ 解析：SO2具有漂白性，能使品红溶液褪色，SO2有还原性，能被酸性KMnO4溶液、溴水氧化，而使它们褪色。溶液X为Fe2(SO4)3，需加入还原剂将Fe3＋还原为Fe2＋，又不带入杂质离子，故需加入铁粉。过程⑤中需将酸消耗而调高pH，而CaCO3跟硫酸反应会生成微溶于水的CaSO4而阻止反应的继续进行，故需选用NaOH溶液。由聚铁的化学式可知：n(Fe3＋)＝n(SO)＝n(BaSO4)＝＝0.015 mol，所以聚铁样品中铁元素的质量分数＝×100%＝31.1%。‎ 答案：(1)ACD 　(2)4FeS＋3O2＋6H2SO4===2Fe2(SO4)3＋6H2O＋4S　(3)铁粉 　(4)蒸发皿、玻璃棒 　(5)C 　(6)促进Fe3＋的水解　(7)31.1%‎ ‎2．现代循环经济要求综合考虑环境污染和经济效益。请填写下列空白。‎ ‎(1)实验室里，可用于吸收SO2尾气的一种试剂是________________。‎ ‎(2)高纯氧化铁可作现代电子工业材料。以下是用硫铁矿烧渣(主要成分为Fe2O3、Fe3O4、FeO、SiO2)为原料制备高纯氧化铁(软磁αFe2O3)的生产流程示意图：‎ ‎①步骤Ⅰ中过滤所得滤渣的主要成分是________。‎ ‎②步骤Ⅱ中加入铁粉的目的是_____________________。‎ ‎③步骤Ⅲ中可选用________试剂调节溶液的pH(填标号)。‎ A．稀硝酸 B．双氧水 C．氨水 D．高锰酸钾溶液 ‎④写出在空气中煅烧FeCO3，制备高纯氧化铁的化学方程式：_________________________________________。‎ ‎⑤从滤液C中回收的主要物质的一种用途是________。‎ 解析：(1)SO2为酸性气体，还具有较强的还原性，故可以通过用碱液吸收、强氧化剂溶液吸收等方法除去SO2。‎ ‎(2)①硫铁矿烧渣中除SiO2外，均溶于盐酸，故滤渣是SiO2。②Fe2O3、Fe3O4溶于盐酸均有Fe3＋生成，加入铁粉可以将Fe3＋还原为Fe2＋：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋。③稀硝酸、双氧水、KMnO4溶液均容易将Fe2＋氧化为Fe3＋，只有氨水能够起到调节pH的作用。④注意该过程中＋2价的铁已转化为＋3价的铁。⑤滤液C为铵盐溶液，可作为氮肥使用。‎ 答案：(1)NaOH溶液(或其他合理答案)‎ ‎(2)①SiO2　②将Fe3＋还原为Fe2＋‎ ‎③C　④4FeCO3＋O22Fe2O3＋4CO2‎ ‎⑤可作为氮肥 题型二　以制备物质为目的的工艺流程题 ‎　(2015·高考山东卷)毒重石的主要成分为BaCO3(含Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等杂质)，实验室利用毒重石制备BaCl2·2H2O的流程如下：‎ ‎(1)毒重石用盐酸浸取前需充分研磨，目的是__________________________。实验室用37%的盐酸配制15%的盐酸，除量筒外还需使用下列仪器中的________。‎ a．烧杯　　b．容量瓶　　c．玻璃棒　　d．滴定管 ‎(2)加入NH3·H2O调pH＝8可除去________(填离子符号)，滤渣Ⅱ中含________(填化学式)。加入H2C2O4时应避免过量，原因是_________________________。‎ Ca2＋‎ Mg2＋‎ Fe3＋‎ 开始沉淀时的pH ‎11.9‎ ‎9.1‎ ‎1.9‎ 完全沉淀时的pH ‎13.9‎ ‎11.1‎ ‎3.2‎ ‎　　已知：Ksp(BaC2O4)＝1.6×10－7，Ksp(CaC2O4)＝2.3×10－9‎ ‎(3)利用间接酸碱滴定法可测定Ba2＋的含量，实验分两步进行。‎ 已知：2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O　Ba2＋＋CrO===BaCrO4↓‎ 步骤Ⅰ：移取x mL一定浓度的Na2CrO4溶液于锥形瓶中，加入酸碱指示剂，用b mol·L－1盐酸标准液滴定至终点，测得滴加盐酸的体积为V0 mL。‎ 步骤Ⅱ：移取y mL BaCl2溶液于锥形瓶中，加入x mL与步骤Ⅰ相同浓度的Na2CrO4溶液，待Ba2＋完全沉淀后，再加入酸碱指示剂，用b mol·L－1盐酸标准液滴定至终点，测得滴加盐酸的体积为V1 mL。‎ 滴加盐酸标准液时应使用酸式滴定管，“0”刻度位于滴定管的________(填“上方”或“下方”)。BaCl2溶液的浓度为________mol·L－1。若步骤Ⅱ中滴加盐酸时有少量待测液溅出，Ba2＋浓度测量值将________(填“偏大”或“偏小”)。‎ ‎[解析]　(1)毒重石用盐酸浸取前需充分研磨，目的是增大与盐酸的接触面积，加快反应速率。实验室配制一定质量分数的溶液时，需用到的仪器是量筒、烧杯和玻璃棒。(2)由流程图和表中数据可知，pH＝8时，可除去Fe3＋；调节pH＝12.5时，Mg2＋完全沉淀，Ca2＋部分沉淀，故滤渣Ⅱ中含有Mg(OH)2和Ca(OH)2；加入H2C2O4的目的是除去溶液中剩余的Ca2＋，使Ca2＋(aq)＋C2O(aq)===CaC2O4(s)，当H2C2O4过量时，也可能使c(Ba2＋)·c(C2O)＞Ksp(BaC2O4)，而生成BaC2O4沉淀，导致产品BaCl2·2H2O的量减少。(3)由方程式2CrO＋2H＋===Cr2O＋H2O知，步骤Ⅰ中加入的CrO的总物质的量为b mol·L－1× L＝ mol。步骤Ⅱ中，加入BaCl2充分反应后，剩余的CrO的物质的量为b mol·L－1× L＝ mol，与Ba2＋反应的CrO的物质的量为 mol－ mol＝ mol，由方程式Ba2＋＋CrO===BaCrO4↓得，n(Ba2＋)＝n(CrO)，所以BaCl2的浓度：c(BaCl2)＝ ‎＝ mol·L－1。若步骤Ⅱ中滴加盐酸时，有少量待测液溅出，造成V1的用量减小，所以的测量值将偏大。‎ ‎[答案]　(1)增大接触面积从而使反应速率加快　ac ‎(2)Fe3＋　Mg(OH)2、Ca(OH)2　H2C2O4过量会导致生成BaC2O4沉淀，产品产量减少 ‎(3)上方　　偏大 ‎3．(2013·高考江苏卷)氧化镁在医药、建筑等行业应用广泛。硫酸镁还原热解制备高纯氧化镁是一种新的探索。以菱镁矿(主要成分为MgCO3，含少量FeCO3)为原料制备高纯氧化镁的实验流程如下：‎ ‎(1)MgCO3与稀硫酸反应的离子方程式为_____________________________。‎ ‎(2)加入H2O2氧化时，发生反应的化学方程式为__________________________________________________。‎ ‎(3)滤渣2的成分是________________(填化学式)。‎ ‎(4)煅烧过程存在以下反应：‎ ‎2MgSO4＋C2MgO＋2SO2↑＋CO2↑‎ MgSO4＋CMgO＋SO2↑＋CO↑ ‎ MgSO4＋3CMgO＋S↑＋3CO↑‎ 利用下图装置对煅烧产生的气体进行分步吸收或收集。‎ ‎①D中收集的气体是________________(填化学式)。‎ ‎②B中盛放的溶液可以是________(填字母)。‎ a．NaOH溶液 　　　　　　　b．Na2CO3 溶液 ‎ c．稀硝酸 d．KMnO4溶液 ‎③A中得到的淡黄色固体能与热的NaOH溶液反应，产物中元素的最高价态为＋4，写出该反应的离子方程式：‎ ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 解析：明确实验过程，提取有效信息，正确判断反应过程。‎ ‎(1)MgCO3与稀硫酸反应时，MgCO3微溶于水，在写离子方程式时要写化学式。离子方程式为MgCO3＋2H＋===Mg2＋＋CO2↑＋H2O。(2)因为菱镁矿中有FeCO3，在酸溶时产生Fe2＋，除去Fe元素需将Fe2＋氧化为Fe3＋，通过调节溶液的pH生成Fe(OH)3从而除去Fe3＋，所以加入H2O2的目的是将Fe2＋氧化成Fe3＋，发生反应的化学方程式为2FeSO4＋H2O2＋H2SO4===Fe2(SO4)3＋2H2O。(3)调pH≈4时发生的反应为Fe3＋＋3NH3·H2O===Fe(OH)3↓＋3NH，所以经过滤所得滤渣2为Fe(OH)3。(4)由题给反应可知，煅烧后的气体为CO2、SO2、CO和S蒸气的混合物。S蒸气很容易转化为S固体，所以A的目的是收集S，B的作用是吸收SO2，可用KMnO4溶液将SO2氧化吸收，C中装NaOH溶液，作用是吸收产生的CO2，CO最后用排水法收集。S与热的NaOH反应的离子方程式为3S＋6OH－2S2－＋SO＋3H2O。‎ 答案：(1)MgCO3＋2H＋===Mg2＋＋CO2↑＋H2O ‎(2)2FeSO4＋H2O2＋H2SO4===Fe2(SO4)3＋2H2O ‎(3)Fe(OH)3‎ ‎(4)①CO　②d　③3S＋6OH－2S2－＋SO＋3H2O ‎4．铝是重要的金属材料，铝土矿(主要成分是Al2O3和少量的SiO2、Fe2O3杂质)是工业上制取铝的原料。实验室模拟工业上以铝土矿为原料制取Al2(SO4)3和铵明矾晶体[NH4Al(SO4)2·12H2O]的工艺流程如图所示：‎ 请回答下列问题：‎ ‎(1)固体a的化学式为________，Ⅲ中通入足量CO2气体发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)由Ⅴ制取铵明矾溶液的化学方程式为________________________________，从铵明矾溶液中获得铵明矾晶体的实验操作依次为(填操作名称)________、冷却结晶、过滤洗涤。‎ ‎(3)以1 000 kg含氧化铝36%的铝土矿为原料制取Al2(SO4)3，需消耗质量分数为98%的硫酸(密度1.84 g·cm－3)________ L(保留一位小数)。‎ ‎(4)若同时制取铵明矾和硫酸铝，通过控制硫酸的用量调节两种产品的产量。若欲使制得的铵明矾和硫酸铝的物质的量之比为1∶1，则投料时铝土矿中的Al2O3和H2SO4的物质的量之比为________。‎ 解析：(1)铝土矿中Al2O3和Fe2O3能溶于盐酸，SiO2不溶于盐酸，所以固体a的化学式为SiO2。Al2O3溶于烧碱生成NaAlO2溶液，在其中通入CO2生成Al(OH)3沉淀。‎ ‎(2)Al(OH)3分解生成Al2O3，Al2O3与稀硫酸反应后通入NH3生成铵明矾溶液。‎ ‎(3)m(Al2O3)＝1 000 kg×36%＝360 kg，m(H2SO4)＝ kg＝1 037.6 kg，需消耗质量分数98%的硫酸(密度1.84 g·cm－3)为＝575.4×103 mL＝575.4 L。‎ ‎(4)设制得的Al2(SO4)3和NH4Al(SO4)2·12H2O的物质的量都是1 mol，则Al3＋共3 mol，‎ SO共5 mol，根据铝元素和SO守恒原理可得，加入Al2O3和H2SO4的物质的量之比为∶5＝3∶10。‎ 答案：(1)SiO2　AlO＋CO2＋2H2O===HCO＋Al(OH)3↓　(2)Al2O3＋4H2SO4＋2NH3===2NH4Al(SO4)2＋3H2O　蒸发浓缩 ‎ ‎(3)575.4　(4)3∶10‎