化学工艺流程

题型特点解读·1．化学工艺流程题由题引、题干和题设三部分构成。(1)制备型题型特点2．此类试题集综合性、真实性、开放性于一体，包含必要的操作名称、化工术语或文字说明，考查知识面广、综合性强、思维容量大。题干的呈现形式多为流程图、表格和图像；设问角度一般为操作措施、物质成分、化学反应、条件控制的原因和产率计算等，能力考查侧重于获取信息的能力、分析问题的能力、语言表达能力和计算能力；涉及到的化学知识有基本理论、元素化合物和实验基础知识等。试题陌生度高，文字信息量大，综合性强，对能力要求高。■解题策略指导·1．解题思路(1)粗读题干，挖掘图示关注关键字，弄懂流程图，但不必将每一种物质都推出，只需问什么推什么。如制备类无机化工题，可粗读试题，知道题目制取什么、大致流程和有什么提示等。(2)携带问题，精读信息抓三方面：一是主干，二是流程图示，三是设置问题。读主干抓住关键字、词；读流程图，重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。(3)跳跃思维，规范答题答题时应注意前后问题往往没有“相关性”，即前一问未答出，不会影响后面答题。2．解题要点(1)审题要点：①了解生产目的、原料及产品，②了解题目提供的信息，③分析各步的反应条件、原理及物质成分，④理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。(2)答题切入点：①原料及产品的分离提纯，②生产目的及反应原理，③生产要求及反应条件，④有关产率、产量及组成的计算，⑤绿色化学。3．化工流程题中表述性词汇的作用化工生产流程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。常见的有：(1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发，物质的不稳定性和物质的转化等。(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是否影响产品的纯度。(4)“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。(5)“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。(6)“检验某物质的设计方案”——通常取少量某液体于试管中，加入另一试剂产生某现象，然后得出结论。(7)“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。(8)“用某些有机试剂清洗”——常考虑降低物质溶解度有利于析出、减少损耗和提高利用率等。4．破题方法(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。典例剖析示范制备型工艺流程题(2017·全国Ⅰ卷)Li4Ti5O12和LiFePO4①都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质②来制备。工艺流程如下：回答下列问题：(1)“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如下图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时④，所采用的实验条件为______________。(2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl2－4⑤形式存在，写出相应反应的离子方程式_________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示：温度/℃3035404550TiO2·xH2O转化率/%9295979388分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高⑥的原因__________________________。(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4，其中过氧键的数目为________。(5)若“滤液②”中c(Mg2＋)＝0.02mol·L－1，加入双氧水和磷酸设溶液体积增加1倍⑦，使Fe3＋恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5mol·L－1，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？________列式计算⑦。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10－22、1.0×10－24。(6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式__________________________________________________________________________。①明确目的：生产目的是制备Li4Ti5O12和LiFePO4。②明确原料：明确主要成分和杂质。③核心反应：盐酸酸浸、双氧水氧化(氨水、磷酸)、高温煅烧等。④识图像：坐标含义，关键点。从关键点分析条件为“100℃、2h或90℃、5h”。⑤信息理解：从生成物分析钛的化合价变化，进而确定反应情况。⑥表格信息：结合物质性质，温度过高H2O2及NH3·H2O分解。⑦关注细节：溶液体积加倍，离子浓度变为原来的一半；列式计算，不能直接写出计算结果。【解析】(1)根据图像分析，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为100℃、2h,90℃、5h。(2)“酸浸”时，发生反应的离子方程式为FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl2－4＋2H2O。(3)当温度低于40℃时，H2O2、NH3·H2O不易分解，但是温度低，反应速率慢，TiO2·xH2O转化率低；当温度高于40℃时，H2O2分解，NH3逸出，反应物浓度降低，反应速率下降，TiO2·xH2O的转化率低。(4)设Li2Ti5O15中过氧键的数目为x，则非过氧键氧原子数目为15－2x，根据化合物中各元素正、负化合价代数和为零可得：2x＋2×(15－2x)＝1×2＋4×5，解得：x＝4。(5)根据Ksp(FePO4)＝1.3×10－22及Fe3＋恰好完全沉淀时溶液中c(Fe3＋)＝1.0×10－5mol·L－1，可得c(PO3－4)＝1.3×10－221.0×10－5mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1。c(Mg2＋)＝0.022mol·L－1＝0.01mol·L－1，则c3(Mg2＋)·c2(PO3－4)＝0.013×(1.3×10－17)2＝1.69×10－40≈1.7×10－40Ksp[Mg3(PO4)2]＝1.0×10－24，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀。(6)煅烧过程中，Fe元素化合价由＋3降至＋2，被还原，则H2C2O4应作还原剂，其氧化产物为CO2，反应的化学方程式为2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4=====高温2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O。【答案】(1)100℃、2h,90℃、5h(2)FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl2－4＋2H2O(3)低于40℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加；超过40℃，双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降(4)4(5)Fe3＋恰好沉淀完全时，c(PO3－4)＝1.3×10－221.0×10－5mol·L－1＝1.3×10－17mol·L－1，c3(Mg2＋)·c2(PO3－4)值为0.013×(1.3×10－17)2≈1.7×10－40Ksp[Mg3(PO4)2]，因此不会生成Mg3(PO4)2沉淀(6)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4=====高温2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O提纯型工艺流程题(2016·全国Ⅲ卷)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V2O5①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②：物质V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3质量分数/%2.2～2.92.8～3.122～2860～651～21以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：③回答下列问题：(1)“酸浸”时V2O5转化为VO＋2④，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3mol的VO2＋变为VO＋2④，则需要氧化剂KClO3至少为________mol。(3)“中和”作用之一是使钒以V4O4－12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＋V4O4－12离子交换洗脱R4V4O12＋4OH－ROH为强碱性阴离子交换树脂⑤。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⑥的是________。(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀，写出“煅烧”中⑦发生反应的化学方程式___________________________________________________________________________________________________________________________。①明确目的：从废钒催化剂中回收V2O5，即除杂质提纯V2O5。②明确原料：明确废钒催化剂的主要成分和杂质。③明确流程：该过程涉及酸浸、氧化、中和、过滤、淋洗、煅烧等，应明确其含义。核心反应：硫酸酸浸、KClO3氧化、高温煅烧等。④挖掘信息：V2O5转化为VO＋2，反应前后钒元素的化合价不变，发生非氧化还原反应，VO2＋变为VO＋2是氧化还原反应。⑤信息理解应用：可逆反应，平衡移动。⑥考查细节：前面加入了KClO3和KOH。⑦关注细节：NH4VO3“煅烧”生成V2O5，钒元素的化合价没有发生变化。【解析】(1)“酸浸”时V2O5转化为VO＋2，V2O5、VO＋2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＋2＋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3mol的VO2＋变为VO＋2，转移电子的物质的量为3mol×(5－4)＝3mol；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3mol6＝0.5mol。(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V4O4－12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＋V4O4－12离子交换洗脱R4V4O12＋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V4O4－12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：2NH4VO3=====高温V2O5＋H2O＋2NH3↑。【答案】(1)V