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03．化学工艺流程与物质提纯【题型分析】物质提纯类化工流程题以物质的分离、提纯为基础，涉及蒸发浓缩、趁热过滤、冷却结晶、蒸馏、萃取、分液、重结晶、洗涤、干燥等基本操作，突出考查化学实验基本方法在物质分离、提纯中的作用。物质提纯类化工流程题一般包括以下具体内容：【知识解读】1．物质分离的6种常用方法看目的选方法分离难溶物质和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法过滤(热滤或抽滤)利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提纯分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴萃取和分液提纯溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl蒸发结晶提纯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等冷却结晶分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油蒸馏与分馏利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气冷却法2．获得产品阶段的主要操作洗涤(冰水、热水、有机水洗：洗去晶体表面的杂质离子(适用于溶解度小的物质)冰水洗涤：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(适原料对原料的预处理除杂、净化产品的分离与提纯精品溶剂)用于高温溶解度大、低温溶解度小的物质)醇洗(常用于溶解度较大的物质)：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(若对溶解度小的物质进行醇洗，则是为了洗去杂质离子，并使其尽快干燥)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，以防其水解蒸发浓缩、冷却结晶如K2Cr2O7和少量NaCl的混合溶液，若将混合溶液加热蒸发后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，母液中是NaCl和少量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蒸发结晶、趁热过滤如NaCl和少量K2Cr2O7的混合溶液，若将混合溶液蒸发一段时间，析出的固体主要是NaCl，母液中是K2Cr2O7和少量NaCl；同样原理可除去NaCl中的少量KNO3【题型示例】例1：(2019年新课标Ⅲ卷)高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备，工艺如下图所示。回答下列问题：相关金属离子[c0(Mn+)=0.1mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：金属离子Mn2+Fe2+Fe3+Al3+Mg2+Zn2+Ni2+开始沉淀的pH8.16.31.53.48.96.26.9沉淀完全的pH10.18.32.84.710.98.28.9(1)“滤渣1”含有S和__________________________；写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式____________________________________________________。(2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是将________________________。(3)“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为_______~6之间。(4)“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“滤渣3”的主要成分是______________。(5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。若溶液酸度过高，Mg2+沉淀不完全，原因是_____________________________________________________________________。(6)写出“沉锰”的离子方程式___________________________________________________。(7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。当x=y=13时，z=___________。【答案】(1)SiO2(不溶性硅酸盐)MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O(2)将Fe2+氧化为Fe3+(3)4.7(4)NiS和ZnS(5)F−与H+结合形成弱电解质HF，MgF2Mg2++2F−平衡向右移动(6)Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O(7).13【解析】(1)Si元素以SiO2或不溶性硅盐存在，SiO2与硫酸不反应，所以滤渣I中除了S还有SiO2；在硫酸的溶浸过程中，二氧化锰和硫化锰发生了氧化还原反应，二氧化锰作氧化剂，硫化锰作还原剂，方程式为：MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O；(2)二氧化锰作为氧化剂，使得MnS反应完全，且将溶液中Fe2+氧化为Fe3+；(3)由表中数据知pH在4.7时，Fe3+和Al3+沉淀完全，所以应该控制pH在4.7~6之间；(4)根据题干信息，加入Na2S除杂为了出去锌离子和镍离子，所以滤渣3是生成的沉淀ZnS和NiS；(5)由HFH++F-知，酸度过大，F-浓度减低，使得MgF2Mg2++2F-平衡向沉淀溶解方向移动，Mg2+沉淀不完全；(6)根据题干信息沉锰的过程是生成了MnCO3沉淀，所以反应离子方程式为：Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O；(7)根据化合物中各元素化合价代数和为0的规律得：1+2x+3y+4z=6，已知，x=y=1/3，带入计算得：z=1/3。例2：(2019年新课标Ⅰ卷)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下：回答下列问题：(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污，方法是_________________。(2)步骤②需要加热的目的是_________________，温度保持80~95℃，采用的合适加热方式是_________________。铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为__________(填标号)。(3)步骤③中选用足量的H2O2，理由是_________________。分批加入H2O2，同时为了_________________，溶液要保持pH小于0.5。(4)步骤⑤的具体实验操作有______________，经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。(5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数，将样品加热到150℃时，失掉1.5个结晶水，失重5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为______________。【答案】(1)碱煮水洗(2)加快反应速率水浴加热C(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+，不引入新的杂质因为H2O2本身易分解，所以在加入时需分量加入，同时为了防止Fe3+水解(4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)(5)NH4Fe(SO4)2∙12H2O【解析】(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污，油污在碱性条件下容易水解，所以工业上常常用热的碳酸钠溶液清洗，即碱煮水洗；(2)步骤②需要加热的目的是为了加快反应速率；温度保持80~95℃，由于保持温度比较恒定且低于水的沸点，故采用的合适加热方式是水浴加热(热水浴)；铁屑中含有少量硫化物，硫化物与硫酸反应生成硫化氢气体，可以用氢氧化钠溶液吸收，为了防止倒吸可以加装倒置的漏斗，故选择C装置；(3)步骤③中选用足量的H2O2，H2O2可以将Fe2+氧化为Fe3+，且H2O2的还原产物为H2O，不会引入新的杂质，故理由是：将Fe2+全部氧化为Fe3+，不引入新的杂质。因为H2O2本身易分解，所以在加入时需分量加入，同时为了防止Fe3+水解，溶液要保持pH小于0.5；(4)为了出去可溶性的硫酸铵、铁离子等，需要经过的步骤为：加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)；(5)设硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2∙xH2O，其相对分子质量为266+18x，1.5个水分子的相对分子质量为1.5×18=27，则27/(266+18x)=5.6%，解得x=12，则硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2∙12H2O。【技巧点拨】在解化工流程题无机物质的制备，常与物质分离与提纯联系在一起，制备的目标物质要容易分离出来，物质分离与提纯有多种方法，总的说有物理方法和化学方法两大类：物理方法有过滤、蒸发、蒸馏、分液、萃取、结晶、重结晶、渗析等；化学方法有沉淀法、热分解法、电解法、氧化还原法等；要根据目标物质的性质和特点来选择适宜的制备、分离方法。在审题时，应粗看流程图，没必要看得非常明白(因耗时太多)，然后接着往下看问题作答，容易的迅速写下，做到“笔过留分”，难的再结合流程、信息回答。这样做耗时短，能得到大部分分数。【对点训练】1．(2020届云南省曲靖市第一中学高三化学仿真模拟考试)某学校化学兴趣小组为探索金属回收物的综合利用，专门设计实验用含有铝、铁、铜的合金制取纯净的氯化铝溶液、绿矾晶体(FeSO4·7H2O)和胆矾晶体(CuSO4·5H2O)，其实验方案如下：请回答下列问题：(1)过滤用的玻璃仪器有___________________________________________________。(2)在滤液C转化为沉淀Ⅱ的过程中盐酸的用量不易控制，可改为通CO2气体，写出滤液C中通入过量CO2的离子方程式：______________________________________________。写出由沉淀Ⅱ转化为AlCl3溶液的离子方程式：_____________________________。(3)小组成员经过检测，发现制得的绿矾不纯，试分析其主要含有哪些杂质：______________________，要想由沉淀Ⅰ最终制得纯度较高的绿矾，应如何改进_____________________________(4)小组成员从资料中获知H2O2是一种绿色氧化剂，在滤渣B中加入稀硫酸和H2O2来制备胆矾晶体，则该反应的总化学方程式为_______________________________。(5)有同学提出可将方案中最初溶解合金的盐酸改为烧碱，重新设计方案，也能最终制得三种物质，你认为第二种方案相对于第一种方案________(填“更合理”或“不合理”)，理由是________________________。【答案】(1)烧杯、漏斗、玻璃棒(2AlO2-＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋HCO3-Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2O(3氯化钠、硫酸钠、硫酸铁向溶液D中加入足量铁粉，反应后过滤，再将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤即可得纯度较高的绿矾(4Cu＋H2O2＋H2SO4＋3H2O=CuSO4·5H2O(或Cu＋H2O2＋H2SO4=CuSO4＋2H2O)(5更合理前一种方案操作步骤多、时间长、消耗试剂量大【解析】合金铝、铁、铜加入足量盐酸溶解后过滤，得到滤液A为氯化铝、氯化亚铁，加入足量氢氧化钠溶液过滤得到滤液C为偏铝酸钠溶液，加入适量盐酸过滤得到氢氧化铝沉淀加入盐酸溶解生成氯化铝溶液；沉淀Ⅰ为氢氧化亚铁，加入硫酸生成硫酸亚铁溶液D蒸发结晶得到绿矾晶体；(1)过滤实验用到的仪器有：滤纸、铁架台、铁圈、烧杯、玻璃棒和漏斗；(2)滤液C中含有偏铝酸钠，通入过量CO2生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，反应的离子方程式为AlO2-+CO2+2H2O=Al(OH)3↓+HCO3-，沉淀Ⅱ为氢氧化铝，与盐酸反应转化为AlCl3溶液，反应的离子方程式为Al(OH)3+3H+═Al3++3H2O；(3)发现制得的绿矾不纯，含有氯化钠、硫酸钠、硫酸铁，是因为亚铁离子被氧化为铁离子，要想由沉淀I最终制得纯度较高的绿矾，需要向D溶液中加入过量铁粉还原铁离子为亚铁离子，过滤得到溶液蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到绿矾晶体；(4)铜与浓硫酸反应生成有毒有污染的二氧化硫气体，若铜先和氧气反应生成氧化铜，然后氧化铜会和硫酸反应生成硫酸铜，不会产生污染大气的气体，该过程原料利用率高，所以途径②最佳，Cu中加入稀硫酸和H2O2可以制备胆矾晶体，反应方程式为：Cu+H2O2+