(新課標)高考化學一輪總復習 大題突破(二)化學工藝流程講義-人教版高三全冊化學教案

化學工藝流程(對應復習講義第172頁)[題型解讀]1．呈現(xiàn)形式化學工藝流程題由題引、題干和題設(shè)三部分構(gòu)成。(1)制備型題型特點(2)提純型題型特點2．設(shè)問方式題引一般簡單介紹該工藝生產(chǎn)流程的原材料和生產(chǎn)目的、產(chǎn)品(包括副產(chǎn)品)；題干以工業(yè)生產(chǎn)實際為主要背景，以文字、工藝流程圖、表格相結(jié)合的形式呈現(xiàn)；題設(shè)主要是根據(jù)生產(chǎn)過程中涉及的化學知識步步設(shè)問，形成與化工生產(chǎn)緊密聯(lián)系的化工工藝試題，主要涉及原料的選擇、循環(huán)利用、綠色化學、環(huán)境保護、分離提純、反應原理、實驗操作、產(chǎn)率計算等。3．考查風格試題陌生度高，以陌生的新物質(zhì)為背景，貼近工業(yè)生產(chǎn)(如會出現(xiàn)更多的工業(yè)術(shù)語和設(shè)備名稱等)，試題文字信息量大，綜合性強，對能力要求高。[解題指導]1．解題思路(1)粗讀題干，挖掘圖示關(guān)注關(guān)鍵字，弄懂流程圖，但不必將每一種物質(zhì)都推出，只需問什么推什么。如制備類無機化工題，可粗讀試題，知道題目制取什么、大致流程和有什么提示等。(2)結(jié)合問題，精讀信息抓三方面：一是主干，二是流程圖示，三是設(shè)置問題。讀主干抓住關(guān)鍵字、詞；讀流程圖，重點抓住物質(zhì)流向(“進入”與“流出”)、實驗操作方法等。(3)跳躍思維，規(guī)范答題答題時應注意前后問題往往沒有“相關(guān)性”，即前一問未答出，不會影響后面答題。2．析題關(guān)鍵(1)看原料：明確化工生產(chǎn)或化學實驗所需的材料。(2)看目的：把握題干中的“制備”或“提純”等關(guān)鍵詞，確定化工生產(chǎn)或化學實驗的目的。(3)看箭頭：進入的是投料(即反應物)；出去的是生成物(包括主產(chǎn)物和副產(chǎn)物)。(4)看三線：主線主產(chǎn)品；分支副產(chǎn)品；回頭為循環(huán)。(5)找信息：明確反應條件控制和分離提純方法。(6)關(guān)注所加物質(zhì)的可能作用：參與反應、提供反應氛圍、滿足定量要求。3．解題方法(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。類型1制備型工藝流程題1．物質(zhì)制備過程的條件控制(1)控制體系的環(huán)境氛圍①需要在酸性氣流中干燥FeCl3、AlCl3、MgCl2等含水晶體，抑制水解并帶走因分解產(chǎn)生的水汽。②營造還原性氛圍，防止還原性物質(zhì)被氧化。如加入鐵粉防止Fe2＋被氧化。③加入氧化劑進行氧化。如加入綠色氧化劑H2O2將Fe2＋氧化轉(zhuǎn)化為Fe3＋，綠色氧化劑H2O2的優(yōu)點：不引入新雜質(zhì)，對環(huán)境無污染。(2)控制反應溫度①加熱：加速溶解、加快反應速率或促進平衡向某個方向移動(如促進水解生成沉淀)。②降溫：防止某物質(zhì)在某溫度時會溶解或分解，或促進平衡向某個方向移動。③控制溫度在一定范圍內(nèi)：綜合多方面因素考慮。如使反應速率不至于太慢、抑制或促進平衡移動、防止反應物分解、防止副反應發(fā)生、使催化劑的催化活性最高等。④如題目中出現(xiàn)了包括產(chǎn)物在內(nèi)的各種物質(zhì)的溶解度信息，則要根據(jù)它們?nèi)芙舛入S溫度升高而改變的情況，尋找合適的結(jié)晶分離方法。2．在流程題中，常會看到壓強、溫度等外界條件的出現(xiàn)，不同的工藝對化學反應的溫度或壓強有不同的要求，其所起的作用也不一樣，但都是能否達到實驗目的的關(guān)鍵所在，也是命題專家們經(jīng)常考查的地方。對外界條件的分析主要從對反應速率和平衡轉(zhuǎn)化率的影響這兩個方面著手。如①使催化劑的活性達到最高：如工業(yè)合成氨或SO2的催化氧化反應，選擇的溫度是500℃左右，原因之一就是這樣可使催化劑的活性達到最高。②對于一些工藝來說，降溫或減壓都可以減少能源成本，降低對設(shè)備的要求，達到綠色化學的目的。[典例示范](2017·全國卷Ⅰ，27)Li4Ti5O12和LiFePOeq\o\al(①,4)都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦②(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì))來制備。工藝流程如下：回答下列問題：(1)“酸浸”實驗中，鐵的浸出率結(jié)果如下圖所示。由圖可知，當鐵的浸出率為70%時④，所采用的實驗條件為________。(2)“酸浸”后，鈦主要以TiOCl2－eq\o\al(⑤,4)形式存在，寫出相應反應的離子方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應40min所得實驗結(jié)果如下表所示：溫度/℃3035404550TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率/%9295979388分析40℃時TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率最高⑥的原因__________________________________。(4)Li2Ti5O15中Ti的化合價為＋4，其中過氧鍵的數(shù)目為________。(5)若“濾液②”中c(Mg2＋)＝0.02mol·L－1，加入雙氧水和磷酸(設(shè)溶液體積增加1倍)⑦，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5mol·L－1，此時是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？________________________________________________________________________(列式計算)⑦。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分別為1.3×10－22、1.0×10－24。(6)寫出“高溫煅燒②”中由FePO4制備LiFePO4的化學方程式________________________________________________________________________。eq\a\vs4\al(信息提取)①明確生產(chǎn)目的：利用鈦鐵礦為原料制備Li4Ti5O12和LiFePO4。②明確原料：明確原料的主要成分是FeTiO3和雜質(zhì)成分是MgO、SiO2；MgO可以與酸反應而SiO2不溶于酸。③關(guān)注核心反應：鹽酸酸浸(哪些物質(zhì)與酸反應，哪些物質(zhì)不溶于酸等)、雙氧水氧化(氨水存在時哪些離子被氧化、磷酸存在時哪些離子被氧化)、高溫煅燒(反應物、反應條件和生成物)等。④識圖像：坐標含義(橫坐標是時間、縱坐標是鐵的浸出率、等溫線等)，關(guān)鍵點(平衡點)；從關(guān)鍵點縱坐標為70時，分析條件為“100℃、2h”或“90℃、5h”兩個點。⑤信息理解與應用：從生成物分析鈦的化合價變化情況，進而確定反應情況。⑥讀懂表格信息：溫度適宜時轉(zhuǎn)化率最高，結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)分析，溫度過高H2O2及NH3·H2O分解。⑦關(guān)注細節(jié)信息：溶液體積加倍，離子濃度變?yōu)樵瓉淼囊话?；要求列式計算，不能直接寫出計算結(jié)果。eq\a\vs4\al(典例解析)(1)由“酸浸”實驗中鐵的浸出率結(jié)果圖像可知，當鐵的浸出率為70%時，所采取的實驗條件是100℃、2h和90℃、5h。(2)鈦鐵礦的主要成分為FeTiO3，加入鹽酸“酸浸”后，鈦主要以TiOCleq\o\al(2—,4)形式存在，結(jié)合原子守恒和電荷守恒寫出離子方程式。(3)TiO2·xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應在40℃時TiO2·xH2O的轉(zhuǎn)化率最高，當溫度低于40℃時，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增加；當溫度超過40℃時，因為H2O2不穩(wěn)定受熱發(fā)生分解并且氨氣逸出，導致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率下降。(4)Li2Ti5O15中Ti的化合價為＋4，Li的化合價為＋1，而過氧鍵(—O—O—)中O元素的化合價為－1，設(shè)過氧鍵的個數(shù)為x個，其余O原子為y個，則有2x＋y＝15，根據(jù)化合物中各元素化合價的代數(shù)和為0可得：(＋1)×2＋(＋4)×5＋(－1)·2x＋(－2)·y＝0，解得x＝4，y＝7，故過氧鍵數(shù)目為4個。(5)FePO4的Ksp＝1.3×10－22，當Fe3＋恰好沉淀完全時，溶液中c(POeq\o\al(3—,4))＝Ksp(FePO4)/c(Fe3＋)＝eq\f(1.3×10－22,1.0×10－5)mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1，“濾液②”中c(Mg2＋)＝0.02mol·L—1×1/2＝0.01mol·L—1，此時，濃度熵為Qc＝c3(Mg2＋)·c2(POeq\o\al(3—,4))＝0.013×(1.3×10—17)2≈1.7×10—40＜Ksp[Mg3(PO4)2]＝1.0×10－24，故不會生成Mg3(PO4)2沉淀。(6)由工藝流程圖可知，“高溫煅燒②”中FePO4、Li2CO3、H2C2O4在高溫下反應生成LiFePO4，結(jié)合原子守恒推知，產(chǎn)物還有CO2和H2O，根據(jù)質(zhì)量守恒定律寫出化學方程式。[答案](1)100℃、2h，90℃、5h(2)FeTiO3＋4H＋＋4Cl－=Fe2＋＋TiOCleq\o\al(2－,4)＋2H2O(3)低于40℃，TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增加；超過40℃，雙氧水分解與氨氣逸出導致TiO2·xH2O轉(zhuǎn)化下降(4)4(5)Fe3＋恰好沉淀完全時，c(POeq\o\al(3－,4))＝eq\f(1.3×10－22,1.0×10－5)mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1，c3(Mg2＋)·c2(POeq\o\al(3－,4))值為0.013×(1.3×10－17)2≈1.7×10－40<Ksp[Mg3(PO4)2]，因此不會生成Mg3(PO4)2沉淀(6)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4eq\o(=,\s\up7(高溫))2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O類型2提純型工藝流程題1．物質(zhì)分離提純的原則(1)不增：不引入新的雜質(zhì)。(2)不減：不減少被提純的物質(zhì)。(3)易分離：被提純物與雜質(zhì)易于分離。(4)易復原：被提純的物質(zhì)易恢復原來的組成、狀態(tài)。2．常用的提純方法水溶法除去可溶性雜質(zhì)酸溶法除去堿性雜質(zhì)堿溶法除去酸性雜質(zhì)氧化劑或還原劑法除去還原性或氧化性雜質(zhì)加熱灼燒法除去受熱易分解或易揮發(fā)的雜質(zhì)調(diào)節(jié)溶液的pH法如除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等3.常用的分離方法過濾分離難溶物和易溶物，根據(jù)特殊需要采用趁熱過濾或者抽濾等方法萃取和分液利用溶質(zhì)在互不相溶的溶劑里的溶解度不同提取分離物質(zhì)，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴蒸發(fā)結(jié)晶提取溶解度隨溫度變化不大的溶質(zhì)，如NaCl冷卻結(jié)晶提取溶解度隨溫度變化較大的溶質(zhì)、易水解的溶質(zhì)或結(jié)晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等蒸餾或分餾分離沸點不同且互溶的液體混合物，如分離乙醇和甘油冷卻法利用氣體液化的特點分離氣體，如合成氨工業(yè)采用冷卻法分離平衡混合氣體中的氨氣[深度歸納]1．增大原料浸出率(離子在溶液中被浸出的百分率)的措施：攪拌、升高溫度、延長浸出時間、增大氣體的流速(濃度、壓強)、增大氣液或固液接觸面積。根據(jù)物質(zhì)的具體性質(zhì)，原料浸泡可分為水浸、酸浸、堿浸、醇浸等。2．過濾問題(1)3個基本操作①檢驗溶液中離子是否沉淀完全的方法：將溶液靜置一段時間后，用膠頭滴管取上層清液少許放入小試管中，向其中滴入沉淀劑，若無沉淀生成，則說明離子沉淀完全。②洗滌沉淀：沿玻璃棒往漏斗中加蒸餾水至液面浸沒沉淀，待水自然流下后，重復操作2～3次。③檢驗沉淀是否洗滌干凈的方法：取少量最后一次的洗滌液于試管中，向其中滴入某試劑，若沒有特征現(xiàn)象出現(xiàn)，則證明沉淀已洗滌干凈。(2)特定洗滌目的①冰水洗滌的目的：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子并降低被洗滌物質(zhì)的溶解度，減少其在洗滌過程中的溶解損耗。②乙醇洗滌的目的：降低被洗滌物質(zhì)的溶解度，減少其在洗滌過程中的溶解損耗，得到較干燥的產(chǎn)物。3．結(jié)晶方式(1)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)分離提純，如除去KNO3中的少量NaCl或受熱易分解的物質(zhì)，如晶體水合物、銨鹽等。(2)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物質(zhì)的分離提純，可減少雜質(zhì)晶體的析出，如除去NaCl中的少量KNO3。趁熱過濾的方法：漏斗預熱，用少量熱蒸餾水通過過濾器，帶加熱裝置的漏斗、抽濾。提醒：晶體的干燥：要得到干燥的晶體，常見的干燥方法有自然晾干、濾紙吸干、在干燥器中干燥、烘干(適用于熱穩(wěn)定性較好的物質(zhì))。4．調(diào)節(jié)溶液pH分離提純(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。例如：已知下列物質(zhì)開始沉淀和沉淀完全時的pH如下表所示：物質(zhì)開始沉淀沉淀完全Fe(OH)31.53.7Fe(OH)27.69.6Mn(OH)28.39.8若要除去Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，可先用氧化劑把Fe2＋氧化為Fe3＋，再調(diào)節(jié)溶液的pH在3.7≤pH<8.3。(2)調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)應滿足兩點：能與H＋反應，使溶液pH增大；不引入新雜質(zhì)。例如：要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2(OH)2CO3等物質(zhì)來調(diào)節(jié)溶液的pH。[典例示范](2018·全國卷Ⅱ，T26)我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家。一種以閃鋅礦(ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì))為原料制備金屬鋅的流程如圖所示：相關(guān)金屬離子[c0(Mn＋)＝0.1mol·L－1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下：金屬離子Fe3＋Fe2＋Zn2＋Cd2＋開始沉淀的pH1.56.36.27.4沉淀完全的pH2.88.38.29.4回答下列問題：(1)焙燒過程中主要反應的化學方程式為________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)濾渣1的主要成分除SiO2外還有________；氧化除雜工序中ZnO的作用是________，若不通入氧氣，其后果是________。(3)溶液中的Cd2＋可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應的離子方程式為________________________________________________________________________。(4)電解硫酸鋅溶液制備單質(zhì)鋅時，陰極的電極反應式為________________________________________________________________________；沉積鋅后的電解液可返回________工序繼續(xù)使用。[三步審讀]eq\a\vs4\al(典例解析)(1)在焙燒過程中ZnS和O2反應生成ZnO和SO2。(2)溶液中的Pb2＋與SOeq\o\al(2－,4)不能共存，生成PbSO4沉淀，SiO2不溶于H2SO4，即濾渣1中含SiO2和PbSO4。氧化除雜過程中O2能將溶液中Fe2＋氧化生成Fe3＋，加入ZnO能調(diào)節(jié)溶液的pH，促進Fe3＋完全水解。由題表知Fe2＋、Zn2＋開始沉淀和沉淀完全時的pH非常接近，若不通入O2使Fe2＋氧化為Fe3＋，加入ZnO后無法除去Fe2＋，會影響Zn的純度。(3)根據(jù)題中信息可知還原除雜工序中涉及的離子反應式為Cd2＋＋Zn=Cd＋Zn2＋。(4)結(jié)合圖示可知電解ZnSO4溶液時生成Zn，即電解時Zn2＋在陰極被還原，電極反應式為Zn2＋＋2e－=Zn。沉積Zn后的電解液中主要含有H2SO4，可返回溶浸工序中繼續(xù)使用。[答案](1)2ZnS＋3O2eq\o(=,\s\up7(焙燒))2ZnO＋2SO2(2分)(2)PbSO4(2分)調(diào)節(jié)溶液的pH(2分)無法除去雜質(zhì)Fe2＋(2分)(3)Cd2＋＋Zn=Cd＋Zn2＋(2分)(4)Zn2＋＋2e－=Zn(2分)溶浸(2分)[對點練習]1．(2018·合肥模擬)三鹽(3PbO·PbSO4·H2O)可用作聚氯乙烯的熱穩(wěn)定劑，200℃以上開始失去結(jié)晶水，不溶于水及有機溶劑。以200.0t鉛泥(主要成分為PbO、Pb及PbSO4等)為原料制備三鹽的工藝流程如圖所示。已知：PbSO4和PbCO3的溶解度和溶度積Ksp如下表?；衔颬bSO4PbCO3溶解度/g1.03×10－41.81×10－7Ksp1.82×10－81.46×10－13(1)步驟①轉(zhuǎn)化的目的是________________________________________________________________________，濾液1中的溶質(zhì)為Na2CO3和________(填化學式)。(2)步驟③酸溶時，為提高酸溶速率，可采取的措施是________________(任寫一條)。其中鉛與硝酸反應生成Pb(NO3)2和NO的離子方程式為________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)濾液2中可循環(huán)利用的溶質(zhì)的化學式為________________________________________________________________________。若步驟④沉鉛后的濾液中c(Pb2＋)＝1.82×10－5mol/L，則此時c(SOeq\o\al(2－,4))＝________mol/L。(4)步驟⑦洗滌操作時，檢驗沉淀是否洗滌完全的方法是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)步驟⑥合成三鹽的化學方程式為________________________________________________________________________________________________________________________________________________，若得到純凈干燥的三鹽99.0t，假設(shè)鉛泥中的鉛元素有80%轉(zhuǎn)化為三鹽，則鉛泥中鉛元素的質(zhì)量分數(shù)為______________。[解析](1)步驟①用純堿溶液浸取鉛泥，將PbSO4轉(zhuǎn)化為PbCO3，提高鉛的利用率，濾液1中的溶質(zhì)為過量的Na2CO3和反應生成的Na2SO4。(2)步驟③酸溶時，可通過適當升溫、適當增大硝酸濃度或減小沉淀粒徑來提高酸溶速率；鉛與硝酸反應的離子方程式為3Pb＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Pb2＋＋2NO↑＋4H2O。(3)濾液2中可循環(huán)利用的溶質(zhì)的化學式為HNO3；根據(jù)Ksp(PbSO4)＝1.82×10－8＝c(Pb2＋)·c(SOeq\o\al(2－,4))，c(Pb2＋)＝1.82×10－5mol/L，則此時c(SOeq\o\al(2－,4))＝1.00×10－3mol/L。(4)該沉淀吸附的離子是硫酸根離子，用鹽酸酸化的氯化鋇溶液檢驗，其檢驗方法為：取少量最后一次的洗滌液于試管中，向其中滴加鹽酸酸化的BaCl2溶液，若不產(chǎn)生白色沉淀，則表明已洗滌完全。(5)步驟⑥合成三鹽的化學方程式為4PbSO4＋6NaOHeq\o(=,\s\up7(50～60℃))3Na2SO4＋3PbO·PbSO4·H2O＋2H2O，若得到純凈干燥的三鹽99.0t，則含有的鉛元素質(zhì)量為99.0t×eq\f(207×4,990)＝82.8t，則鉛泥中鉛元素的質(zhì)量分數(shù)為eq\f(82.8t,80%×200.0t)×100%＝51.75%。[答案](1)將PbSO4轉(zhuǎn)化為PbCO3，提高鉛的利用率Na2SO4(2)適當升溫(或適當增大硝酸濃度或減小沉淀粒徑等)3Pb＋8H＋＋2NOeq\o\al(－,3)=3Pb2＋＋2NO↑＋4H2O(3)HNO31.00×10－3(4)取少量最后一次的洗滌液于試管中，向其中滴加鹽酸酸化的BaCl2溶液，若不產(chǎn)生白色沉淀，則表明已洗滌完全(5)4PbSO4＋6NaOHeq\o(=,\s\up7(50～60℃))3Na2SO4＋3PbO·PbSO4·H2O＋2H2O51.75%2．(2017·全國卷Ⅲ，27)重鉻酸鉀是一種重要的化工原料，一般由鉻鐵礦制備，鉻鐵礦的主要成分為FeO·Cr2O3，還含有硅、鋁等雜質(zhì)。制備流程如圖所示：回答下列問題：(1)步驟①的主要反應為FeO·Cr2O3＋Na2CO3＋NaNO3eq\o(→,\s\up7(高溫))Na2CrO4＋Fe2O3＋CO2＋NaNO2上述反應配平后FeO·Cr2O3與NaNO3的化學計量數(shù)比為________。該步驟不能使用陶瓷容器，原因是________________________________________________________________________。(2)濾渣1中含量最多的金屬元素是________，濾渣2的主要成分是________及含硅雜質(zhì)。(3)步驟④調(diào)濾液2的pH使之變________(填“大”或“小”)，原因是