2020版高考化学一轮复习 全国卷热考微专题（6）无机化学工艺流程题学案

2020版高考化学一轮复习 全国卷热考微专题（6）无机化学工艺流程题学案

全国卷热考微专题(6)无机化学工艺流程题 化学工艺流程题是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来，一般具有如下环节：‎ →→→→ 它以现代工业生产为基础，与化工生产成本、产品提纯、环境保护等相融合，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问。考查物质的制备、检验、分离提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用，要求考生依据流程图分析原理，紧扣信息，抓住关键、准确答题。这类试题具有较强的实用性和综合性，是新课标全国卷命题的热考题型。‎ ‎(2017·海南卷)以工业生产硼砂所得废渣硼镁泥为原料制取MgSO4·7H2O的过程如图所示：‎ 硼镁泥的主要成分如下表：‎ MgO SiO2‎ FeO、Fe2O3‎ CaO Al2O3‎ B2O3‎ ‎30%～‎ ‎40%‎ ‎20%～‎ ‎25%‎ ‎5%～‎ ‎15%‎ ‎2%～‎ ‎3%‎ ‎1%～‎ ‎2%‎ ‎1%～‎ ‎2%‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)“酸解”时应该加入的酸是________，“滤渣‎1”‎中主要含有________(写化学式)。‎ ‎(2)“除杂”时加入次氯酸钙、氧化镁的作用分别是____________________、____________________。‎ ‎(3)判断“除杂”基本完成的检验方法是__________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎______________________________________________________。‎ ‎(4)分离滤渣3应趁热过滤的原因是________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎______________________________________________________。‎ 解析：(1)流程制备的是MgSO4·7H2O，为了不引入杂质，因此所用的酸是硫酸，‎ 7‎ 化学式为H2SO4；根据硼镁泥的成分，SiO2不与硫酸反应，因此滤渣1为SiO2；(2)硼镁泥中含有FeO，与硫酸反应后生成FeSO4，次氯酸钙具有强氧化性，能把Fe2＋氧化成Fe3＋，氧化镁的作用是调节pH，使Al3＋和Fe3＋以氢氧化物形式沉淀出来，除去Fe3＋和Al3＋；(3)除杂是除去Fe3＋和Al3＋，因此验证Fe3＋就行，方法是取滤液将其酸化后滴加KSCN溶液，若溶液未变红，则说明除杂完全；(4)防止MgSO4·7H2O结晶析出。‎ 答案：(1)H2SO4　SiO2‎ ‎(2)将Fe2＋氧化为Fe3＋　调节溶液pH，使Fe3＋、Al3＋以氢氧化物的形式沉淀除去 ‎(3)取滤液将其酸化后滴加KSCN溶液，若溶液未变红，则说明除杂完全 ‎(4)防止MgSO4·7H2O结晶析出 ‎[方法指导]　解答化学工艺流程题的三方法 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。‎ 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)的工艺流程题，用分段分析法更容易找到解题的切入点。‎ 有些化工生产选用多组原材料，率先合成一种或几种中间产品，再用这一中间产品与其他原材料合成生产所需的主流产品，这种题就适合用交叉分析法。就是将提供的工艺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。‎ ‎1．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__________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ 7‎ ‎(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、氨气反应生成铵明矾溶液。‎ ‎(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 ‎2．α－铁纳米粉在现代电子工业上用途极为广泛，用赤铁矿石 (含Fe2O3、FeO，也含有Al2O3、MnO2、CuO等)制备纳米铁颗粒的实验流程如下：‎ 已知：部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH：‎ 沉淀物 Al(OH)3‎ Fe(OH)3‎ Fe(OH)2‎ Cu(OH)2‎ pH ‎5.2‎ ‎3.2‎ ‎9.7‎ ‎6.7‎ ‎(1)步骤②中用pH试纸测定溶液pH的操作是_______________‎ 7‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎______________________________________________________。‎ 步骤②滤液中含有的金属阳离子是________，步骤④中碾碎的目的是________________________________________________。‎ ‎(2)将第①步过滤所得的MnO2与KClO3、KOH溶液共热，可得到K2MnO4，此反应的化学方程式是__________________________。‎ ‎(3)步骤③灼烧所需的仪器有酒精灯、三脚架、______________。‎ ‎(4)若步骤⑤是利用电弧加热使金属熔融蒸发成蒸汽，使大量颗粒状烟灰尘与周围X气体原子激烈碰撞进行充分的能量交换和电荷交换生成α－Fe，X气体可以为__________。‎ a．O2　　　　 b．N2‎ c．He d．H2‎ ‎(5)“纳米铁”在空气中受撞击时会燃烧，其反应与铁在纯氧中燃烧相同，写出该反应的化学方程式___________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ 解析：(1)Fe2O3、FeO、Al2O3、CuO与硫酸反应，a中金属阳离子为Cu2＋、Al3＋、Fe2＋、Fe3＋，加双氧水将Fe2＋氧化为Fe3＋。根据阳离子沉淀时pH数据，可知控制pH＝4时，铁离子已全部变成Fe(OH)3沉淀，滤液中主要为Cu2＋、Al3＋。(2)MnO2与KClO3、KOH溶液共热，MnO2做还原剂，生成K2MnO4，KClO3做氧化剂生成KCl。(3)灼烧需酒精灯、三脚架、泥三角、坩埚、坩埚钳。‎ 答案：(1)将一小块pH试纸放在表面皿上，用玻璃棒蘸取少量待测液，点在pH试纸上，再与标准比色卡对照　Cu2＋、Al3＋　增大接触面积，提高原料的转化率和反应速率 ‎(2)3MnO2＋6KOH＋KClO33K2MnO4＋KCl＋3H2O ‎(3)泥三角、坩埚、坩埚钳　(4)c　(5)3Fe＋2O2Fe3O4‎ ‎3．锌是一种常用金属，冶炼方法有火法和湿法。‎ Ⅰ.镓(Ga)是火法冶炼锌过程中的副产品，镓与铝同主族且相邻，化学性质与铝相似。氮化镓(GaN)是制造LED的重要材料，被誉为第三代半导体材料。‎ ‎(1)GaN可由Ga和NH3在高温条件下合成，该反应的化学方程式为_____________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ ‎(2)镓的性质与铝类似，下列有关镓和镓的化合物的说法正确的是________(填序号)。‎ A．一定条件下，Ga可溶于盐酸和氢氧化钠 7‎ B．常温下，Ga可与水剧烈反应放出氢气 C．Ga2O3可由Ga(OH)3受热分解得到 D．一定条件下，Ga2O3可与NaOH反应生成盐 Ⅱ.工业上利用锌焙砂(主要含ZnO、ZnFe2O4，还含有少量CaO、FeO、CuO、NiO等氧化物)湿法制取金属锌的流程如图所示，回答下列问题：‎ 已知：Fe的活泼性强于Ni。‎ ‎(3)ZnFe2O4可以写成ZnO·Fe2O3，写出ZnFe2O4与H2SO4反应的化学方程式______________________________________________‎ ‎______________________________________________________。‎ ‎(4)净化Ⅰ操作分为两步：第一步是将溶液中少量的Fe2＋氧化；第二步是控制溶液pH，只使Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀。净化Ⅰ生成的沉淀中还含有溶液中的悬浮杂质，溶液中的悬浮杂质被共同沉淀的原因是___________________________________________________。‎ ‎(5)净化Ⅱ中加入Zn的目的是___________________________。‎ 解析：(1)此反应是置换反应：2Ga＋2NH32GaN＋3H2。‎ ‎(2)根据元素周期律，铝和镓的性质类似，A、C、D项正确，B项错误。‎ ‎(3)碱性氧化物和酸生成对应的盐和水，所以化学方程式为ZnFe2O4＋4H2SO4===ZnSO4＋Fe2(SO4)3＋4H2O。‎ ‎(4)氢氧化铁是胶体，胶体有很强的吸附能力，所以把溶液中的悬浮物也吸附了过来，一起沉淀。‎ ‎(5)锌比铜、镍活泼，加入锌将Cu2＋、Ni2＋置换出来，提高产品的纯度。‎ 答案：(1)2Ga＋2NH32GaN＋3H2　(2)ACD ‎(3)ZnFe2O4＋4H2SO4===ZnSO4＋Fe2(SO4)3＋4H2O ‎(4)Fe(OH)3胶体具有强吸附性 ‎(5)使Cu2＋、Ni2＋转化为Cu、Ni而除去 ‎4．(2016·全国卷Ⅲ)以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为：‎ 物质 V2O5‎ V2O4‎ K2SO4‎ SiO2‎ Fe2O3‎ Al2O3‎ 7‎ 质量分数/%‎ ‎2.2～2.9‎ ‎2.8～3.1‎ ‎22～28‎ ‎60～65‎ ‎1～2‎ ‎＜1‎ 以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)“酸浸”时V2O5转化为VO，反应的离子方程式为 ‎_______________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________，‎ 同时V2O4转化成VO2＋。“废渣1”的主要成分是________。‎ ‎(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2＋变为VO，则需要氧化剂KClO3至少为________ mol。‎ ‎(3)“中和”作用之一是使钒以V4O形式存在于溶液中。“废渣‎2”‎中含有__________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ ‎(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为4ROH＋V4OR4V4O12＋4OH－(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈________性(填“酸”“碱”或“中”)。‎ ‎(5)“流出液”中阳离子最多的是________。‎ ‎(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式__________________________________________‎ ‎_______________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ 解析：(1)“酸浸”时V2O5转化为VO，V2O5、VO中V元素均显＋5价，V元素化合价不变，则该反应是非氧化还原反应，结合溶液的酸碱性及元素守恒写出离子方程式：V2O5＋2H＋===2VO＋H2O。废钒催化剂中除SiO2外，其余物质均与稀硫酸反应生成易溶于水的盐，则“废渣1”的主要成分是二氧化硅。‎ ‎(2)“氧化”中使3 mol的VO2＋变为VO，转移电子的物质的量为3 mol×(5－4)＝3 mol；氧化剂KClO3被还原为KCl，Cl元素由＋5价降低到－1价，根据电子守恒可知，需要KClO3的物质的量至少为＝0.5 mol。‎ 7‎ ‎(3)由图可知，加入KOH中和后产生废渣2，而“中和”作用之一是使钒以V4O形式存在于溶液中，后续操作中未进行除杂操作，显然该过程中还生成Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀，从而除去Fe3＋、Al3＋，故“废渣‎2”‎中含有Fe(OH)3和Al(OH)3。‎ ‎(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为4ROH＋V4OR4V4O12＋4OH－(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率，应增加溶液中c(OH－)，使平衡逆向移动，故淋洗液应该呈碱性。‎ ‎(5)“氧化”和“中和”操作中分别加入KClO3、KOH，而“离子交换”过程中，消耗V4O同时生成OH－，而阳离子未参与离子交换，故“流出液”中阳离子最多的是K＋。‎ ‎(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，“煅烧”过程中生成V2O5，考虑铵盐的不稳定性，还应生成NH3和H2O，结合元素守恒写出化学方程式：2NH4VO3V2O5＋H2O＋2NH3↑。‎ 答案：(1)V2O5＋2H＋===2VO＋H2O　SiO2　(2)0.5‎ ‎(3)Fe(OH)3和Al(OH)3　(4)碱 ‎(5)K＋　(6)2NH4VO3V2O5＋H2O＋2NH3↑‎ 7‎