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专项突破（一） 金属及其化合物在化工流程中的转化,化学工艺流程题是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步步设问,是无机框图题的创新。它以现代工业生产为基础,与化工生产成本、产品提纯、环境保护等相融合,考查物质的制备、检验、分离、提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用,要求考生依据流程图分析原理,紧扣信息、抓住关键、准 确答题。这类试题具有较强的实用性和综合性,是近几年高考化学试题的常考题型。,类型一以物质制备为目的的化学工艺流程 1.工艺流程图,2.原料处理阶段的常见考查点 (1)加快反应速率的方法。 (2)溶解:酸浸(用硫酸、盐酸等)和碱浸(NaOH溶液等)。 (3)灼烧、焙烧、煅烧:改变结构,使一些物质在高温下被氧化或分解。,3.分离提纯阶段的常见考查点 (1)调pH除杂 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。如除去含Al3+、Mn2+溶液中混有的Fe2+,先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调节溶液的pH。 调节pH所需的物质一般应满足两点:一是能与H+反应,使溶液pH增大;二是不引入新杂质。例如,若要除去含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,则要注意对温度的控制。如NaHCO3、H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、浓HNO3等物质。 (3)降温:防止某物质在高温时分解或使化学平衡向题目要求的方向移动。,4.获得产品阶段的常见考查点 (1)洗涤(冰水、热水或乙醇):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。 (2)蒸发时在某气体氛围中进行以抑制水解:如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以抑制Fe3+、Al3+、Mg2+等的水解。 (3)蒸发浓缩、冷却结晶:如NaCl和KNO3混合溶液,若将混合溶液加热蒸发后再降温结晶,则析出的固体主要是KNO3,这样就可分离出大部分,KNO3。 (4)蒸发结晶:如NaCl和KNO3混合溶液,若将混合溶液蒸发至析出固体,析出的固体主要是NaCl。 典例1(2017课标,27,15分)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FeOCr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图所示:,回答下列问题: (1)步骤的主要反应为: FeOCr2O3+Na2CO3+NaNO3 Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2 上述反应配平后FeOCr2O3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K2Cr2O7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 ,步骤的反应类型是。 (5)某工厂用m1 kg铬铁矿粉(含Cr2O3 40%)制备K2Cr2O7,最终得到产品m2 kg,产率为。,解题流程,答案(1)27陶瓷在高温下会与Na2CO3反应 (2)FeAl(OH)3 (3)小2Cr+2H+ Cr2+H2O (4)d复分解反应 (5)100%,解析本题以K2Cr2O7的制备为载体,考查氧化还原反应原理、平衡移动原理等。由题中所给反应可知滤渣1为Fe2O3,滤液1中含有Al3+、Si,调节pH=7,则滤渣2中含Al(OH)3及含硅杂质,滤液2中含有Cr、Na +,此时调节pH促使平衡2Cr+2H+ Cr2+H2O正向移动,再加入 KCl得到K2Cr2O7。 (1)利用得失电子守恒方法配平:2FeOCr2O3+4Na2CO3+7NaNO3 4Na2 CrO4+Fe2O3+4CO2+7NaNO2,则FeOCr2O3与NaNO3的系数比为27。陶瓷中含有SiO2,在高温下能与Na2CO3反应,会损坏仪器。,(2)由步骤可知熔块中含有NaNO2、Na2CrO4、Fe2O3等,故滤渣1中含量最多的金属元素为Fe,而步骤需除去Al3+及含硅物质,故滤渣2中应主要含Al(OH)3及含硅杂质。 (3)步骤调pH的目的是促进Cr转化为Cr2,根据2Cr+2H+ Cr2+H2O,可知应增大c(H+),故pH要变小。 (4)根据溶解度曲线图可知,选择K2Cr2O7溶解度小于溶液中其他溶质溶解度且溶解度最小的温度区,故选d。反应为2K+Cr2 K2Cr2O7, 此反应为复分解反应。,(5)根据Cr原子守恒建立关系式: Cr2O3 K2Cr2O7 152 294 m140% kgm(K2Cr2O7) m(K2Cr2O7)= kg 故产率为100%=100%。,1.(2017课标,27,14分)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,铁的浸出率结果如下图所示。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TiOC形式存在,写出相应反应的离子方程式 。,(3)TiO2xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示:,分析40 时TiO2xH2O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”中c(Mg2+)=0.02 molL-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+)=1.010-5 molL-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1.310-22、1.010-24。 (6)写出“高温煅烧”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式。,答案(1)100 、2 h,90 、5 h (2)FeTiO3+4H+4Cl- Fe2+TiOC+2H2O (3)低于40 ,TiO2xH2O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TiO2xH2O转化反应速率下降 (4)4 (5)Fe3+恰好沉淀完全时,c(P)= molL-1=1.310-17molL-1,c3(Mg2 +)c2(P)值为0.013(1.310-17)2=1.710-40KspMg3(PO4)2,因此不会生成 Mg3(PO4)2沉淀,(6)2FePO4+Li2CO3+H2C2O4 2LiFePO4+3CO2+H2O,解析本题为化学工艺流程题,考查了实验条件的选择,离子方程式、化学方程式的书写,沉淀溶解平衡等知识。 (1)由图像可以看出,当铁的浸出率为70%时,实验条件有两个:100 、2 h,90 、5 h。 (2)FeTiO3为难溶物,在书写离子方程式时不能拆写成离子形式。 (4)Li2Ti5O15中,Ti的化合价为+4,Li的化合价为+1,所以正化合价的和为45+12=22。设过氧键数目为x,则x2+(15-2x)2=22,解得x=4。 (6)FePO4中Fe显+3价,LiFePO4中Fe显+2价,FePO4作氧化剂,则H2C2O4作,还原剂,高温煅烧时应生成CO2,据此可写出反应的化学方程式。,2.(2018江苏单科,16,12分)以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2,少量FeS2和金属硫酸盐)为原料,生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如下: (1)焙烧过程均会产生SO2,用NaOH溶液吸收过量SO2的离子方程式为。,(2)添加1% CaO和不添加CaO的矿粉焙烧,其硫去除率随温度变化曲线如图所示。 已知:多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ,硫去除率=(1-)100% 不添加CaO的矿粉在低于500 焙烧时,去除的硫元素主要来源于。 700 焙烧时,添加1% CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低,其主要原因是。 (3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2,铝元素存在的形式由(填化学式)转化为(填化学式)。 (4)“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3与FeS2混合后在缺氧,条件下焙烧生成Fe3O4和SO2,理论上完全反应消耗的n(FeS2)n(Fe2O3)=。,答案(1)SO2+OH- HS (2)FeS2硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中 (3)NaAlO2Al(OH)3 (4)116,解析本题考查化学工艺流程的分析、硫及其化合物,氧化还原反应的计算。 (1)用NaOH溶液吸收过量SO2生成NaHSO3,离子方程式为OH-+SO2 HS。 (2)FeS2在低于500 焙烧时能与空气中的O2反应生成Fe2O3和SO2,发生的反应为4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,故不添加CaO的矿粉在焙烧时 去除的硫元素主要来源于FeS2;700 焙烧时,添加CaO后,硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中,使矿粉硫去除率降低。,(3)矿粉焙烧后加NaOH溶液碱浸时,Al2O3能与NaOH溶液反应生成NaA-lO2,发生的反应为Al2O3+2NaOH 2NaAlO2+H2O,过滤后,NaAlO2在滤 液中,向滤液中通入过量CO2时,发生反应NaAlO2+CO2+2H2O Al(OH)3 +NaHCO3,所以铝元素存在的形式由NaAlO2转化为Al(OH)3。 (4)分析反应前后元素化合价的变化,利用得失电子守恒知:n(FeS2)+5 2n(FeS2)=2n(Fe2O3),解得=,即理论上完全反应消耗的n(FeS2)n(Fe2O3)=116。,3.(2015课标,27,14分)硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿(主要成分为Mg2B2O5H2O和Fe3O4,还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如图所示: 回答下列问题:,(1)写出Mg2B2O5H2O与硫酸反应的化学方程式。为提高浸出速率,除适当增加硫酸浓度外,还可采取的措施有(写出两条)。 (2)利用的磁性,可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是。(写化学式) (3)“净化除杂”需先加H2O2溶液,作用是。然后再调节溶液的pH约为5,目的是。 (4)“粗硼酸”中的主要杂质是(填名称)。,(5)以硼酸为原料可制得硼氢化钠(NaBH4),它是有机合成中的重要还原剂,其电子式为。 (6)单质硼可用于生产具有优良抗冲击性能的硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼,用化学方程式表示制备过程。,答案(1)Mg2B2O5H2O+2H2SO4 2H3BO3+2MgSO4提高反应温 度、减小铁硼矿粉粒径 (2)Fe3O4SiO2和CaSO4 (3)将Fe2+氧化成Fe3+使Fe3+与Al3+形成氢氧化物沉淀而除去 (4)(七水)硫酸镁 (5)Na+HH- (6)2H3BO3 B2O3+3H2O、B2O3+3Mg 2B+3MgO,解析(1)硫酸可与硼酸盐反应制取酸性较弱的硼酸,所以Mg2B2O5H2O与硫酸反应的化学方程式为:Mg2B2O5H2O+2H2SO4 2MgSO4+2H3 BO3。为提高浸出速率,除适当增加硫酸浓度外,还可采取提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径等措施。 (2)Fe3O4有磁性,可利用其磁性将其从“浸渣”中分离;“浸渣”中还剩余的物质是SiO2和CaSO4。 (3)“净化除杂”需先加H2O2溶液,其作用是把Fe2+氧化为Fe3+,然后调节溶液的pH约为5,使Al3+和Fe3+以Al(OH)3、Fe(OH)3形式沉降而除去。,(4)“粗硼酸”中所含杂质主要是没有除去的易溶性镁盐,故为(七水)硫酸镁。 (5)硼氢化钠的电子式为Na+HH-。 (6)利用Mg的还原性制取硼的化学方程式为2H3BO3 B2O3+3H2O、 B2O3+3Mg 2B+3MgO。,思维建模 无机物制备工艺流程题的破解方法,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)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分离、提纯产品的化工工艺,然后结合题设的问题,逐一推敲解答。,2.截段分析法 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)的工艺流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点。用截段分析法解工艺流程题关键在于看清主、副产品是如何分开的,以此确定如何截段,截几段更合适,一般截段以产品为准点。,类型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,3.常用的分离方法,典例2(2016课标,28,14分)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V2O5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:,以下是一种废钒催化剂回收工艺路线: 回答下列问题: (1)“酸浸”时V2O5转化为V,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3 mol的VO2+变为V,则需要氧化剂KClO3至少为 mol。 (3)“中和”作用之一是使钒以V4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+V4 R4 V4O12+4OH-(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率,淋洗液应该呈性(填“酸”“碱”或“中”)。 (5)“流出液”中阳离子最多的是。,(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀,写出“煅烧”中发生反应的化学方程式。 解题流程,答案(1)V2O5+2H+ 2V+H2OSiO2 (2)0.5(3)Fe(OH)3和Al(OH)3 (4)碱 (5)K+ (6)2NH4VO3 V2O5+2NH3+H2O,解析(1)V2O5及V中的V化合价均为+5价,“酸浸”时,发生非氧化还 原反应,根据原子守恒及电荷守恒不难写出离子方程式;“酸浸”时,V2O5转化成V,V2O4转化成VO2+,K2SO4可溶于水,Fe2O3及Al2O3分别转化 成Fe3+和Al3+,所以“废渣1”的主要成分是SiO2。 (2)欲使3 mol VO2+变为V需转移3 mol e-,1 mol KClO3作氧化剂生成Cl- 转移6 mol e-,所以需KClO3至少0.5 mol。 (3)“中和”时加入KOH溶液,钒以V4形式存在于溶液中,K2SO4可溶, Fe3+和Al3+分别转化成Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀进入“废渣2”。,(4)该反应的逆反应为洗脱过程,增大c(OH-),有利于平衡向左移动,所以淋洗液应呈碱性。 (5)由流程图可以看出,H+在酸浸时损耗,钒转化为V4(阴离子),Fe3+及 Al3+转化为沉淀,所以“流出液”中阳离子最多的是K+。 (6)“煅烧”时肯定得到V2O5,其他物质自然写出。 对点训练,4.(2017课标,26,14分)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示: 回答下列问题: (1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是,还可使用代替硝酸。 (2)沉淀A的主要成分是,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为。 (3)加氨水过程中加热的目的是。沉淀B的主要成分为、(写化学式)。 (4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后,用KMnO4标准溶液滴定,通过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为:Mn+H+H2C2O4Mn2+CO2 +H2O。实验中称取0.400 g水泥样品,滴定时消耗了0.050 0 molL-1的,KMnO4溶液36.00 mL,则该水泥样品中钙的质量分数为。,答案(1)将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+H2O2 (2)SiO2(或H2SiO3)SiO2+4HF SiF4+2H2O(或H2SiO3+4HFSiF4 +3H2O) (3)防止胶体生成,易沉淀分离Al(OH)3Fe(OH)3 (4)45.0%,解析本题以物质转化流程为主线,考查Ca、Al、Fe、Mg、Si等元素及其化合物的相关知识。加入盐酸及氯化铵和硝酸后,只有SiO2不溶,故沉淀A为SiO2。滤液中含有Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等离子,加入氨水调节pH至45时,Fe3+转化为Fe(OH)3,Al3+转化为Al(OH)3,故沉淀B主要为Fe(OH)3、Al(OH)3。 (1)加入硝酸的目的是将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+,还可以用H2O2代替硝酸。 (2)SiO2可以溶于氢氟酸,反应方程式为4HF+SiO2SiF4+2H2O。,(3)加入氨水时加热可以促进Fe3+、Al3+等水解,形成沉淀,沉淀B主要为Fe(OH)3、Al(OH)3。 (4)配平方程式可得对应关系式: 2KMnO45H2C2O45CaC2O45Ca2+ 2 mol540 g 0.050 036.0010-3 molm(Ca2+) m(Ca2+)=0.180 g 故(Ca2+)=100%=45.0%。,
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