无机化工生产流程题的解题策略

微型专题突破无机化工生产流程题的解题策略【考情播报】对近几年的高考试题进行分析，不难发现，无机化合物的制备试题很多都是将化学工艺或化学工业生产及最新科技成果融入其中，考查学生运用化学反应原理及相关知识来解决工业生产中实际问题的能力。常见的命题角度有：(1)通过物质的制备模拟化工生产流程；(2)通过化工流程考查实验操作过程。【答题必备】1.解答工艺流程类试题要从以下五个方面入手：(1)浏览题中的工艺流程图，提取有用的信息。分析流程中将原料转化为产品的主要生产原理，推断并写出相关化学反应方程式。(2)解决分离提纯产品的步骤。选择分离提纯的实验方法(如过滤、蒸发、分液、蒸馏等)，掌握主要仪器和主要操作。(3)根据数据，结合化学平衡移动原理，从温度、压强和浓度等方面分析，找到能使反应正向移动的条件，计算出产品的产率和反应物的转化率。(4)注意环保，减少污染，发展“绿色化学”。以原料循环使用或废物利用为主线，评价方案的优劣。(5)考虑原料的来源和经济成本。通过对原料价位的思考优化方案。2.化工流程类题目中“表述性词汇”的作用：化工生产流程题和综合实验题中经常会出现一些表述性词语，这些表述性词语就是隐性信息，它可以暗示我们所应考虑的答题角度。通常用到的表述性词语为(1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发、物质不稳定易分解和物质转化等。(2)“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、产率等。(3)“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或影响产物的纯度。(4)“分离”“提纯”——常考虑过滤、蒸发、萃取、分液和蒸馏等常规操作。(5)“溶液呈酸性或碱性”——考虑电离或水解产生的H+或OH-，是促进还是抑制电离或水解。(6)“利用率”——常考虑经济性或环保性。(7)“在空气中或在其他气体中”——主要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或达到防氧化、防水解、防潮解等目的。(8)“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试管中，向其中滴加某试剂，以检验其中的某种离子。(9)“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。(10)“用某些有机试剂清洗”——常考虑降低物质溶解度有利于析出、减少损耗或提高利用率等。【典题示例】角度一通过物质的制备模拟化工生产流程(2014·安徽高考·T27)LiPF6是锂离子电池中广泛应用的电解质。某工厂用LiF、PCl5为原料，低温反应制备LiPF6①，其流程如下：已知：HCl的沸点是－85.0℃，HF的沸点是19.5℃②。(1)第①步反应中无水HF的作用③是________、________。反应设备不能用玻璃材质④的原因是________(用化学方程式表示)。无水HF有腐蚀性和毒性，工厂安全手册提示：如果不小心将HF沾到皮肤上，可立即用2%的________溶液⑤冲洗。(2)该流程需在无水条件下进行，第③步反应中PF5极易水解，其产物为两种酸⑥，写出PF5水解的化学方程式：________________。(3)第④步分离采用的方法⑦是____________________________；第⑤步分离尾气中HF、HCl采用的方法是____________________。(4)LiPF6产品中通常混有少量LiF。取样品wg，测得Li的物质的量为nmol，则该样品中LiPF6的物质的量⑧为_________mol(用含w、n的代数式表示)。【典例剖析】抽丝剥茧溯本求源关键信息信息分析与迁移①生产目的是制备LiPF6②利用HF、HCl二者沸点的差异(HF分子之间存在氢键)进行分离③无水HF的作用是反应物和溶剂，同时还可以循环使用④玻璃的主要成分是SiO2，能够与HF反应⑤HF溶液具有酸性，可以与碱性溶液进行中和，联系硫酸的腐蚀处理措施，可以想到碳酸氢钠溶液⑥水解产生两种酸，一定分别含有磷元素和氟元素，即H3PO4和HF⑦分离的是固体[LiPF6(s)]和液体[HF(l)]，所以采用过滤的方法⑧根据守恒可以得到：设LiPF6为xmol，LiF为ymol，根据Li守恒有x+y＝n【尝试解答】(1)根据题目中的流程可以看出，固体+液体反应→新物质+饱和溶液，所以无水HF的作用是反应物和溶剂；玻璃的主要成分中含有二氧化硅，能和HF发生反应，反应的方程式为SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O；HF属于弱酸，必须用弱碱性溶液来除去(比如2%的NaHCO3溶液)。(2)根据题目中的信息“PF5极易水解，其产物为两种酸”，则根据元素组成可知，两种酸分别是H3PO4和HF，所以反应的化学方程式为PF5+4H2O====H3PO4+5HF。(3)第④步分离的是固体[LiPF6(s)]和液体[HF(l)]，所以采用过滤的方法；分离尾气中HF、HCl，可以利用二者沸点的差异(HF分子之间存在氢键)进行分离，所以采用冷凝法。(4)根据守恒可以得到；设LiPF6为xmol，LiF为ymol；根据Li守恒，有x+y＝n，根据质量守恒有152x+26y＝w，解得x＝。w26n126【答案】(1)反应物溶剂SiO2+4HF====SiF4↑+2H2ONaHCO3(2)PF5+4H2O====H3PO4+5HF(3)过滤冷凝(4)w26n126角度二通过化工流程考查实验操作过程(2014·江苏高考)烟气脱硫能有效减少二氧化硫的排放。实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝[Al2(SO4)x(OH)6-2x]溶液，并用于烟气脱硫研究。(1)酸浸时反应①的化学方程式为；滤渣Ⅰ的主要成分②为(填化学式)。(2)加CaCO3调节溶液的pH至3.6，其目的是中和溶液中的酸，并使Al2(SO4)3转化为Al2(SO4)x(OH)6-2x。滤渣Ⅱ的主要成分③为(填化学式)；若溶液的pH偏高，将会导致溶液中铝元素的含量降低④，其原因是(用离子方程式表示)。(3)上述流程中经完全热分解放出的SO2量总是小于吸收的SO2量⑤，其主要原因是；与吸收SO2前的溶液相比，热分解后循环利用的溶液的pH⑥将(填“增大”“减小”或“不变”)。【典例剖析】抽丝剥茧溯本求源关键信息信息分析与迁移信息①杂质中Al2O3溶于硫酸信息②杂质中SiO2不溶于硫酸信息③硫酸与CaCO3反应生成微溶于水的CaSO4信息④Al3+与OH-反应能生成Al(OH)3信息⑤H2SO3容易被氧化生成H2SO4信息⑥部分H2SO3被氧化生成H2SO4【尝试解答】(1)Al2O3为两性氧化物，可溶于H2SO4溶液，而SiO2只能溶于HF，不溶于H2SO4，所以滤渣Ⅰ为SiO2。(2)CaCO3与H2SO4反应生成微溶性的CaSO4，为滤渣Ⅱ的成分。若溶液pH偏高，溶液中Al3+和OH-反应生成Al(OH)3，所以会导致溶液中铝元素的含量降低。(3)SO2被吸收后生成，不稳定，易被氧化生成，所以流程中经完全分解放出的SO2的量总是小于吸收的SO2的量，加热分解后的溶液中硫酸根离子浓度增大，促进生成Al2(SO4)x(OH)6-2x，则溶液的酸性增强，溶液的pH减小。23SO23SO24SO答案：(1)Al2O3+3H2SO4====Al2(SO4)3+3H2OSiO2(2)CaSO43CaCO3+2Al3++3+3H2O====2Al(OH)3+3CaSO4+3CO2↑(3)溶液中的部分被氧化成减小24SO23SO24SO【类题通法】1.物质制备类化工生产流程题的解题策略(1)明确原始物质及目标物质。(2)明确化工生产流程：原料→对原料的预处理→核心化学反应→产品的提纯分离→目标产物。(3)掌握主要的化工生产原理等。(4)掌握常见的与化工生产有关的操作方法及作用。尤其要注意对原料进行的预处理和控制反应条件的常用方法，它们分别是①对原料进行预处理的常用方法及其作用：研磨以增大接触面积而加快反应速率；对原料酸(或水)浸的目的是与酸(或水)接触反应或溶解；灼烧以除去可燃杂质；煅烧以促使物质转化；②常用的控制反应条件的方法：调节溶液的pH使某些金属离子沉淀；控制温度、压强以加快反应速率或使平衡移动；趁热过滤以防止某物质降温而析出；冰水洗涤以洗去杂质离子而减少晶体的损耗。2.化工生产中常用分离提纯的方法(1)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：如除去酸性铜溶液中的Fe3+等。(2)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：利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离平衡混合气体中的氨气。【类题备选】1.(2014·天津高考)合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＝-92.4kJ·mol-1一种工业合成氨的简易流程图如下：(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式：_________________________________。(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)ΔH＝+206.4kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH＝-41.2kJ·mol-1对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2百分含量，又能加快反应速率的措施是________。a.升高温度b.增大水蒸气浓度c.加入催化剂d.降低压强利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2产量。若1molCO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应，得到1.18molCO、CO2和H2的混合气体，则CO转化率为________。(3)图1表示500℃、60.0MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。(4)依据温度对合成氨反应的影响，在图2坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。(5)上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________，简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：__________________________________________________。【解析】(1)O2把NH4HS氧化成S，可得化学方程式为2NH4HS+O2====2NH3·H2O+2S↓。(2)a项，反应①为吸热反应，升高温度，速率加快，平衡正向移动，则氢气含量增加，正确；b项，增大水蒸气的浓度，氢气的百分含量减少，错误；c项，加入催化剂，氢气的含量不变，错误；d项，降低压强，反应速率减小，错误。设CO的转化量为xmol，则CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)起始量(mol)0.200.8转化量(mol)xxx平衡量(mol)0.2-xx0.8+x所以1mol+xmol＝1.18mol，解得：x＝0.18，所以CO的转化率为(0.18mol÷0.2mol)×100%＝90%。(3)根据图1可知H2与N2的投料比为3，平衡时NH3体积分数为42%，设N2物质的量为amol，H2物质的量为3amol，N2转化的物质的量为x，由三段式计算可得：2x÷(4a-2x)×100%＝42%，解得x＝0.592a，则N2的平衡体积分数＝(a-0.592a)÷(4a-2×0.592a)×100%＝14.5%。(