化学流程图专题解析

1化学流程图专题分析江苏省前黄高级中学随着新课改的进行，在高考化学试题中化工题逐渐成为一类热门的主流题型它将高中化学与某些化工生产很好地融合在一起，题目情景新颖，综合性强，思维量大，具有挑战性。一些专家预测，在新课改背景下，无机化工题可能会逐渐取代以往高考化学试题中的无机框图型推断题，2007年广东、山东、上海高考化学试题中均考查了化工题，江苏省十三大市化学试题中几乎都设置了化工题。化工题是以某个具体的工业生产为背景，以化学基本理论为主线，结合化学实践!环境保护!化学计算等考查同学们应用所学知识探究解决生产实际问题的能力，对综合能力要求很高化工题的特点表现为:题目多以流程图的形式出现;题目所涉及的情景新颖;在题目中还时常出现一些化工术语(酸浸!水洗!水热处理表面处理等)；题目实际考查的是应用化学反应原理、化学平衡原理、离子平衡理论!晶体结构知识!物质制备和分离(提纯)知识、绿色化学观点、安全生产思想及从经济的视角分析、评价、探究实际生产中各种问题的能力为了能够从容应答这类试题，考得理想的分数，下面我通过一个例题来分析解答化工题的一般思路和主要策略，希望大家多提宝贵意见。【例1】重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O)俗称红矾钠，在工业方面有广泛用途。我国目前主要是以铬铁矿（主要成份为FeO·Cr2O3，还含有Al2O3、MgO、SiO2等杂质）为主要原料进行生产，其主要工艺流程如下：①中涉及的主要反应有：主反应：4FeO·Cr2O3＋8Na2CO3＋7O28Na2CrO4＋2Fe2O3＋8CO2副反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑、Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑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)3Fe(OH)3Mg(OH)2Cr(OH)3完全沉淀时溶液pH4。73。711。25。6试回答下列问题：⑴“①”中反应是在回转窑中进行，反应时需不断搅拌，其作用是▲。两个副反应均为吸热反应，但在高温下均能自发进行，其原因是▲。⑵“③”中调节pH至4.7，目的是▲。⑶“⑤”中加硫酸酸化的目的是使CrO42－转化为Cr2O72－，请写出该平衡转化的离子方程式：▲。⑷“⑦”中采用冷却结晶的方法析出红矾钠，依据是▲。2【解析】以红矾钠的工业制备为背景考察化学原理部分的知识，过程中考察了条件的控制、化学反应方向的判断、溶度积常数的表达式和控制pH的应用。搅拌的目的是增大反应物的接触机会，从而加快反应速率。由于这两个副反应是在高温下才自发进行，所以必然是一个△S0的反应。③溶液中存在的主要阴离子有CrO42－、AlO2—、SiO32—，pH调至4.7，是为了除去其中的AlO2—、SiO32—。硫酸钠的溶解度随温度的升高，先增大后减小，这一点较特殊，设问较困难。若给出其溶解度曲线，则可以帮助理解最后两步工艺。【答案】⑴使反应物接触更充分，加快反应速率△S＞0⑵除去溶液中的AlO2—、SiO32—⑶2CrO42－＋2H+Cr2O72－＋H2O⑷红矾钠的溶解度随温度的降低而减小【小结】学生审题不清（采用冷却结晶的方法析出红矾钠，要回答的是依据而不是原因、试题要求写出CrO42－转化为Cr2O72－的平衡转化离子方程式，但很多学生不用可逆符号而用等号），概念混淆（不断搅拌、增大反应物的接触面积能提高反应速率，能不能使平衡移动、不能增大反应物的转化率），思考问题的指向不正确（讨论反应能否自发进行应从什么角度思考？部分学生还不知道），分析问题能力差，化学原理不清，不能正确分析流程图中所包含的化学反应。【例2】明矾石是制取钾肥和氢氧化铝的重要原料，明矾石的组成和明矾相似，此外还含有氧化铝和少量氧化铁杂质。具体实验步骤如下图所示：根据上述图示，完成下列填空：(1）明矾石焙烧后用稀氨水浸出。配制500mL稀氨水（每升含有39。20g氨）需要取浓氨水（每升含有251.28g氨）__________mL，用规格为_______mL量筒量取。(2）氨水浸出后得到固体混合体系，过滤，滤液中除K＋、SO42－外，还有大量的NH4＋。检验NH4＋的方法是_______________________________________________________。(3）写出沉淀物中所有物质的化学式________________________________________。(4）滤液I的成分是水和______________。(5）为测定混合肥料K2SO4、(NH4)2SO4中钾的含量，请完善下列步骤：①称取钾氮肥试样并溶于水，加入足量______溶液，产生白色沉淀。②___________、__________、_________(依次填写实验操作名称)。③冷却、称重。(6）若试样为mg，沉淀的物质的量为nmol，则试样中K2SO4的物质的量为：______mol（用含有m、n的代数式表示）。【解析】（1）根据稀释前后溶质质量不变得：0.5L×39.2g/L＝v×251.28g/L，v＝0.078L＝78mL。为了减少误差，最好选用与氨水的实际体积稍大一点的量筒即可。（2）NH4＋的检验方法是先将NH4＋中加入强碱，使之转化为NH3，然后检验NH3：用润湿的红色石蕊试3纸放在向移的试管口，试纸变蓝色，说明有氨气放出，原物质中含有铵根离子。（3）Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH4＋，根据题意明矾石中含有Al2O3、Fe2O3，所以沉淀物为Al(OH)3、Al2O3和Fe2O3。（4）由于明矾石的组成与明矾相似，所以滤液的成分中含有K2SO4和反应后生成的(NH4)2SO4以及水。（5）混合肥料中含有K2SO4和(NH4)2SO4，要产生白色沉淀，加入的溶液为BaCl2或Ba(NO3)2溶液，以后的操作为：先将混合液过滤，然后洗涤，最后干燥，冷却后称量。（6）根据题意有：174n(K2SO4)＋132n[(NH4)2SO4]=mg……①，再由SO24守恒得：n(K2SO4)＋n[(NH4)2SO4]=nmol……②，n(K2SO4)＝m－132n42mol。【答案】(1)78；100。(2)取滤液少许，加入NaOH，加热，生成的气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。(3)Al(OH)3；Al2O3；Fe2O3。(4)K2SO4；(NH4)2SO4。(5)BaCl2；过滤；洗涤；干燥。(6)m－132n42mol。【例3】二氧化锰是制造锌锰干电池的基本材料。工业上以软锰矿为原料，利用硫酸亚铁制备高纯二氧化锰的流程如下：某软锰矿的主要成分为MnO2，还含有Si(16。27%)、Fe(5。86%)、Al(3。42%)、Zn(2。68%)和Cu（0。86%）等元素的化合物。部分阳离子以氢氧化物或硫化物的形式完全沉淀时溶液的pH见下表，回答下列问题：沉淀物Al(OH)3Fe(OH)3Fe(OH)2Mn(OH)2Cu(OH)2Zn(OH)2CuSZnSMnSFeSpH5.23.29.710.46.78.。0≥–0.42≥2.5≥7≥7（1）FeSO4在酸性条件下将MnO2还原为MnSO4，酸浸时发生的主要反应的化学方程式为。（2）滤渣A的主要成分是。（3）加入MnS的目的是除去杂质。（4）碱性锌锰电池中，MnO2参与的电极反应方程式为。（5）从废旧碱性锌锰电池中可以回收利用的物质有（写两种）。【解析】考查学生对元素化合物的主要性质的掌握、书写电极反应方程形式的能力以及学生能够从试题提供的新信息中，准确地提取实质内容，并与已有知识模块整合，重组为新知识模块的能力。由反应流程可知：在酸性条件下二氧化锰将Fe2+氧化为Fe3+，将Cu氧化成Cu2+，此外溶液中的还有Zn2+和Al3+，当调pH至5。4时，只有Al(OH)3和Fe(OH)3会完全沉淀，故滤渣A的主要成分是Fe(OH)3和Al(OH)3。加入MnS后因为酸性条件下CuS、ZnS更难溶所以会转化为CuS、ZnS沉淀而除去Cu2＋Zn2＋。【答案】（1）MnO2＋2FeSO4＋2H2SO4＝MnSO4＋Fe2(SO4)3＋2H2O（2）Fe(OH)3Al(OH)3（3）Cu2＋Zn2＋（4）MnO2＋H2O＋e－＝MnOOH＋OH－（或2MnO2＋H2O＋2e－＝Mn2O3＋2OH－）（5）锌、二氧化锰4【例4】将磷肥生产中形成的副产物石膏（CaSO4·2H2O）转化为硫酸钾肥料和氯化钙水合物储热材料，无论从经济效益、资源综合利用还是从环境保护角度看都具有重要意义。以下是石膏转化为硫酸钾和氯化钙的工艺流程示意图。（1）本工艺中所用的原料除CaSO4·2H2O、KCl外，还需要等原料（2）写出石膏悬浊液中加入碳酸铵溶液后发生反应的离子方程式：（3）过滤Ⅰ操作所得固体中，除CaCO3外还含有（填化学式）等物质，该固体可用作生产水泥的原料。（4）过滤Ⅰ操作所得滤液是(NH4)2SO4溶液。检验滤液中含有CO32－的方法是：。（5）已知不同温度下K2SO4在100g水中达到饱和时溶解的量如下表：60℃时K2SO4的饱和溶液591g冷却到0℃，可析出K2SO4晶体g（6）氯化钙结晶水合物（CaCl2·6H2O）是目前常用的无机储热材料，选择的依据是a熔点较低（29℃熔化）b能导电c能制冷d无毒（7）上述工艺流程中体现绿色化学理念的是：。【解析】此题是一道以工业生产为背景的实验题，考查了实验基本操作、离子检验、溶解度计算等。从生产流程图可以看出，所需原料除CaSO4·2H2O、KCl外，还需要氨气、石灰石和水。硫酸钙是微溶的，碳酸钙是难溶的，因此石膏悬浊液中加入碳酸铵溶液后生成了碳酸钙和硫酸铵，生成的碳酸钙中混有石膏。碳酸根的检验可用酸化的方法，若产生气泡说明虑液中含有碳酸根。硫酸钾饱和溶液在结晶过程中溶剂的量不变，查表可知不同温度下的溶解度，先求出591饱和液中含有的水是500g，在0℃可溶解硫酸钾37g，所以析出晶体54g。作为储热材料，要求能在室温左右的温度下工作，且对人体无害，故选ad；绿色化学要求整个生产过程中不排放污染物，原子利用率高，因此生产流程中碳酸钙用于制水泥原料、硫酸钙和氯化钾转化为硫酸钾和氯化钙、氨在工艺中循环使用。【答案】（1）CaCO3NH3H2O（2）CaSO4＋CO32－→CaCO3↓＋SO42－（3）CaSO4（4）滤液中滴加盐酸产生气泡（5）54g（6）ad（7）碳酸钙用于制水泥原料、硫酸钙和氯化钾转化为硫酸钾和氯化钙、氨在工艺中循环使用等（原子利用率高，没有有害物质排放到环境中）【小结】工业生产流程的设计和实验方案设计原理相似，只是在工业生产中对经济性、环保性等许多细节方面有着更高的要求，解题时应在实验室原理的基础上结合实际因素，充分读懂工业流程的每一个步骤的意义。温度（℃）02060K2SO4溶解的量(g)7。411。118。25【例5】以浓硫酸、浓硝酸、粗铜、水和空气为原料可制得硫酸铜（CuSO4·5H2O）。制取硫酸铜晶体的过程如下图所示。回答下列问题：（1）配平在滤液（Ⅲ）中发生反应化学主程式：____NOx+____H2O+____O2══____HNO3。（2）写出制取硫酸铜的总反应方程式_________________________________。（3）在上述生产过程中，被循环使用的物质是_______________________________。（4）请你选用下列适宜的装置来模拟上述生产过程。将它们的编号填入方框。【解析】（1）NOx中N的化合价为2x，反应前后N化合价变化为5-2x，O2中O化合价变化为4，初步配平为4NOx+H2O+（5-2x）O2→HNO3，再配平其他物质的化学计量数得：4NOx+2H2O+（5-2x）O2══4HNO3；（2）发生的有关的化学方程式为：（5-2x）Cu+（12-4x）HNO3══（5-2x）Cu(NO3)2+2NOx+（6-2x）H2O……①、4NOx+2H2O+（5-2x）O2══4HNO3……②、Cu(NO3)2+H2SO4══CuSO4+