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1第五讲化工流程（二）近几年高考常以含金属元素(Fe、Cu、Ti、Cr、Mn、W、V、Co等)的陌生物质为载体，将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识进行设问，考查物质的制备、分离提纯等基本实验原理及操作，陌生化学方程式的书写，产品纯度或产率的化学计算，化工生产适宜条件的选择等。这类试题具有较强的实用性和综合性，能考查考生分析问题和解决问题的能力，是近几年高考的常考题型。1.工艺流程题的解题思路工艺流程题实际上是考查考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。解此类题目的基本思路：(1)先粗读，从题干中获取有用信息，理清思路。先不必把每个环节的原理都搞清楚。(2)针对问题再精读，分析细节，根据问题去研究某一步或某一种物质。(3)要看清所问问题，不能答非所问，并注意语言表达的规范性。2.工艺流程题的解题方法(1)明确目的，提取有用信息。通过阅读题头，了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息，进而明确生产目的——制备什么物质，找到制备物质时所需的原料及所含杂质，提取出所给的相关信息——化学反应方程式、物质的稳定性、物质的溶解性等。(2)分析流程，弄清各步作用。对比分析流程图中的第一种物质(原料)与最后一种物质(产品)，找出原料与产品之间的关系，联系问题有针对性地思考：原料转化为产品的过程中依次进行了什么反应？每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物？杂质是否要除去，采用什么操作方法除去？(3)看清问题，准确规范作答。这一步很关键，历年的高考评卷分析都指出考生的简述能力比较差，特别是化学用语的表述与实际要求存在很大偏差。所以答题时要看清问题，不能答非所问，要注意语言表达的科学性和准确性，如分清是要求回答实验操作名称还是具体操作步骤。3.解工业流程题必备知识(1)常用思考方法。①反应原理；②提高原料利用率；③快速反应；④提高产率；⑤提高产品纯度；⑥绿色环保；⑦工业2成本低。(2)控制反应条件。①调节pH值的目的：控制溶液的酸碱性使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调pH值所加试剂：一般是含被提纯物质中的金属阳离子对应的金属、金属氧化物、金属氢氧化物或金属碳酸盐(总之，这些物质要能与H+反应，又难溶于水，这样可即使过量而又不会引入新的杂质离子)，有时候也可能加NaOH或氨水来调pH值，要据题意具体分析(一般是加的Na+、NH4+不会在后续的程序中难以分离)。pH值的调节范围：据题意告知的某离子完全沉淀或开始沉淀的pH值数据来选择，不能随意更改，应该是题目中原始数据的组合。(3)物质的分离和提纯的方法。①结晶(重结晶)；②过滤；③趁热过滤；④洗涤(水洗，冰水洗涤，醇洗)；⑤蒸馏：液、液分离(主要仪器：蒸馏烧瓶、温度计、冷凝管、尾接管)；⑥蒸发(实验仪器：蒸发皿、铁架台、玻璃棒、坩埚钳、酒精灯)；⑦萃取；⑧分液(主要仪器：分液漏斗)；⑨升华；⑩盐析：加无机盐使溶质的溶解度降低而析出。⑪灼烧：高温条件下固体物质的燃烧(主要仪器：坩埚)；⑫煮沸：目的通常是除去溶解在水中的气体(通常为O2)，或是为了促进水解，聚沉后便于过滤分离。4.常见文字叙述规范套路(重要)(1)如何进行滴定终点的判断？答：当滴入最后一滴标准液时，溶液颜色由××颜色变为##颜色，且半分钟内不恢复原色。(注：只写“变色”或“褪色”不得分)(2)洗涤沉淀的方法：往漏斗中加入蒸馏水至没过沉淀物，待水自然流下后，重复以上操作2～3次。(3)检验沉淀是否洗涤干净的方法：取最后一次的洗涤液，滴加××试剂(可与杂质的某些离子发生沉淀反应)，如果没有沉淀生成，说明沉淀洗涤干净；否则说明沉淀未洗涤干净。(注：这种情况因为离子浓度较低，应该选用反应灵敏的特征反应。此时一般不用焰色反应实验检验)。(4)检验沉淀是否完全的方法：静置，向上层清液中继续滴加××试剂，若没有沉淀生成，说明沉淀完全；若出现沉淀则说明沉淀未完全。(5)如何进行萃取操作？答：在分液漏斗中加溶液和萃取剂，右手堵住漏斗上口塞，左手握活塞，倒转用力振荡，放气，正立放铁圈上静置。主要考查方面：一、以物质制备为目的的化学工艺流程1．原料处理阶段的常见考查点(1)加快反应速率(2)溶解：通常用酸溶。如用稀硫酸、盐酸、浓硫酸等。(3)灼烧、焙烧、煅烧：改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质高温下氧化、分解。32．分离提纯阶段的常见考查点(1)调pH除杂①控制溶液的酸碱性使其中的某些金属离子形成氢氧化物沉淀。如若要除去Al3＋、Mg2＋溶液中含有的Fe2＋，先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调溶液的pH。②调节pH所需的物质一般应满足两点：一能与H＋反应，使溶液pH增大；二不引入新杂质。例如，若要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。(2)加热：加快反应速率或促进平衡向某个方向移动。如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物，则要注意对温度的控制。如侯氏制碱法中的NaHCO3；还有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质。(3)降温：防止某物质在高温时溶解(或分解)；使化学平衡向着题目要求的方向移动。3．获得产品阶段的常见考查点(1)洗涤(冰水、热水)：洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗；乙醇洗涤既可洗去晶体表面的杂质，又可减少晶体溶解的损耗。(2)蒸发时的气体氛围抑制水解：如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCl的气流中加热，以防其水解。(3)蒸发浓缩、冷却结晶：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若将混合溶液加热蒸发后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，这样就可分离出大部分K2Cr2O7；同样原理可除去KNO3中的少量NaCl。(4)蒸发结晶、趁热过滤：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若将混合溶液蒸发一段时间，析出的固体主要是NaCl，同样原理可除去NaCl中的少量KNO3。例1.Li4Ti5O12和LiFePO4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)来制备。工艺流程如下：回答下列问题：(1)“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为__________________________。(2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl2－4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：4温度/℃3035404550TiO2·xH2O转化率/%9295979388分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因______________________________。(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)，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)。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：__________________。【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[学审题析题]5例2.重铬酸钾是一种重要的化工原料，一般由铬铁矿制备，铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3，还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示：回答下列问题：(1)步骤①的主要反应为：FeO·Cr2O3＋Na2CO3＋NaNO3――→高温Na2CrO4＋Fe2O3＋CO2＋NaNO2上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为________。该步骤不能使用陶瓷容器，原因是______________________________________________________。(2)滤渣1中含量最多的金属元素是________，滤渣2的主要成分是________及含硅杂质。(3)步骤④调滤液2的pH使之变________(填“大”或“小”)，原因是____________(用离子方程式表示)。(4)有关物质的溶解度如图所示。向“滤液3”中加入适量KCl，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到K2Cr2O76固体。冷却到________(填标号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。a．80℃b．60℃c．40℃d．10℃步骤⑤的反应类型是________________。(5)某工厂用m1kg铬铁矿粉(含Cr2O340%)制备K2Cr2O7，最终得到产品m2kg，产率为________________。【答案】(1)2∶7陶瓷在高温下会与Na2CO3反应(2)FeAl(OH)3(3)小2CrO2－4＋2H＋2O2－7＋H2O(4)d复分解反应(5)190m2147m1×100%【解析】(1)1molFeO·Cr2O3参与反应共失去7mol电子，而1molNaNO3参与反应得到2mol电子，根据得失电子守恒，二者的系数比为2∶7。由于高温下碳酸钠能与陶瓷中的二氧化硅发生反应，所以该步骤不能使用陶瓷容器。(2)步骤①中生成的氧化铁因不溶于水而进入滤渣1，所以滤渣1中含量最多的金属元素是Fe。结合流程图可知，滤渣2的主要成分是Al(OH)3及含硅杂质。(3)滤液2中存在平衡：2CrO2－4＋2H＋2O2－7＋H2O，H＋浓度越大(pH越小)，越有利于平衡正向移动，所以步骤④应调节滤液2的pH使之变小。(4)根据题图，可知温度越低，K2Cr2O7的溶解度越小，析出的重铬酸钾固体越多，即在10℃左右时得到的K2Cr2O7固体最多。故d项正确。步骤⑤中发生的反应为Na2Cr2O7＋2KCl===K2Cr2O7＋2NaCl，其属于复分解反应。(5)该铬铁矿粉中Cr2O3的物质的量为m1×103g×40%152g·mol－1，根据Cr元素守恒可求得K2Cr2O7的理论质量m0＝m1×103g×40%152g·mol－1×294g·mol－1×10－3kg·g－1＝147m1190kg，所以产品的产率为m2m0×100%＝190m2147m1×100%。二、以分离提纯为目的的化学工艺流程1.物质分离提纯的原则(1)不增：不引入新的杂质。(2)不减：不减少被提纯的物质。(3)易分离：被提纯物与杂质易于分离。(4)易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成、状态。2．常用的提纯方法7水溶法除去可溶性杂质酸溶法除去碱性杂质碱溶法除去酸性杂质氧化剂或还原剂法除去还原性或氧化性杂质加热灼烧法除去受热易分解或易挥发的杂质调节溶液的pH法如除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等3．常用的分离方法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蒸发结晶提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl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、CuSO4·5