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专题17 化工流程中物质的结晶化工流程中物质的结晶需根据晶体的组成、溶解度、水解、性质综合考虑，大多数采取蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等操作，但对不同的晶体有所改变。一、根据物质的组成典例1利用熔融碱焙烧工艺可从铝热法生产金属铬所得铬渣(Al、Al2O3、Cr2O3等)中浸出铬和铝，实现铬和铝的再生利用。其工作流程如下：(1)铝热法冶炼金属铬，是利用了金属铝的_(填“氧化性”或“还原性”)。(2)溶液1中的主要的阴离子有CrO42-、_(填离子符号)。(3)过程I，在Cr2O3参与的反应中，若生成0.4 molCrO42-,消耗氧化剂的物质的量是_。(4)通入CO2调节溶液pH实现物质的分离。滤渣A煅烧得到Al2O3，再用电解法冶炼Al。冶炼Al的化学方程式是_。滤渣B受热分解所得物质可以循环利用，B是_(填化学式)。已知：2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O K=4.01014滤液3中Cr2O72-的浓度是0.04 mol/L，则CrO42-的浓度是_mol/L。(5)过程II的目的是得到K2Cr2O7粗品，粗品再重结晶可制得纯净的K2Cr2O7。不同温度下化合物的溶解度(g/100gH2O)结合表中数据分析，过程II得到K2Cr2O7粗品的操作是：_，过滤得到K2Cr2O7粗品。【答案】 还原性 AlO2-、OH- 0.3 mol 2Al2O3(熔融) 3O2 + 4Al NaHCO3 0.01 向滤液中加入浓硫酸和KCl固体后，蒸发浓缩、降温结晶【解析】（1）铝热法冶炼金属铬，铝元素化合价由0价变化为+3价，失去电子被氧化，是利用了金属铝的还原性；（4）滤渣A煅烧得到Al2O3，再用电解法冶炼Al，冶炼Al的化学方程式是2Al2O3(熔融)3O2+4Al；滤渣B为碳酸氢钠，受热分解所得物质碳酸钠可以循环利用，因此B是NaHCO3；已知2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O，K=4.01014，滤液3中Cr2O72-的浓度是0.04mol/L，K=c(Cr2O72-)/c2(CrO42)c2(H+)，氢离子浓度为10-6mol/L，因此CrO42-的浓度为0.044101410-12mol/L0.01mol/L；（5）过程的目的是得到K2Cr2O7粗品，粗品再重结晶可制得纯净的K2Cr2O7，根据物质的溶解度与温度的关系可知过程得到K2Cr2O7粗品的操作是：向滤液中加入浓硫酸和KCl固体后，蒸发浓缩、降温结晶。二、根据物质的溶解度当物质的溶解度受温度升高先增大后减小时，就需要控制适当的温度进行结晶。如果要从混合溶液中分离出溶解度小的晶体，就要趁热过滤。典例2（2018届湖北省荆州中学高三4月月考）工业上常以铬铁矿(主要成分为亚铬酸亚铁FeCr2O4，还有Al2O3、SiO2等杂质)为主要原料生产红矾钠(Na2Cr2O7)，某实验小组模拟其流程如下图所示：（1）步骤中，焙烧时所用的仪器材质应选用_(填“瓷质”、“铁质”或“石英质”)，二氧化硅与纯碱反应的化学方程式为_。（2）配平步骤中主要反应：_FeCr2O4_O2_Na2CO3_Fe2O3_Na2CrO4_CO2 （3）操作中，酸化时，CrO42转化为Cr2O72，写出平衡转化的离子方程式：_。（4）步骤用硫酸将溶液的pH调至中性，所得滤渣的主要成分是_、_；（5）下图是Na2Cr2O72H2O和Na2SO4的溶解度曲线，步骤中获得固态副产品Na2SO4的实验操作方法为_、_。（6）工业上常用电解法处理含Cr2O72的酸性废水，用金属铁作阳极、石墨作阴极，一段时间后产生Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀。若电解后溶液中c(Cr3+)=3.0105molL1，则c(Fe3+)=_。(已知KspFe(OH)3=4.01038molL1，KspCr(OH)3=6.01031molL1)（7）CrO5的结构式为，该氧化物中Cr为_价。【答案】 铁质 Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2 4 7 8 2 8 8 2CrO42+2H+Cr2O72+H2O H2SiO3（H4SiO4或SiO2H2O） Al(OH)3 加热浓缩 趁热过滤 2.01012molL1 +6【解析】(1). 步骤中，在铬铁矿中加入纯碱焙烧，使用的仪器是坩埚，瓷质和石英质坩埚中均含有二氧化硅，在高温下二氧化硅和纯碱反应生成硅酸钠和二氧化碳，化学方程式为：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2，因此应选用铁质坩埚；(2). FeCr2O4中铁元素的化合价是+2价，氧元素的化合价是2价，则铬元素的化合价为+3价，O2中氧元素的化合价是0价，反应后铁元素的化合价是+3价，铬元素的化合价是+6价，氧元素的化合价是2价，根据得失电子守恒和原子守恒，该反应的化学方程式为：4FeCr2O47O28Na2CO32Fe2O38Na2CrO48CO2；(3). 在操作中，酸化的目的是使CrO42转化为Cr2O72，该反应为可逆反应且铬元素的化合价没有变化，根据原子守恒和电荷守恒，该平衡转化的离子方程式为：2CrO42+2H+Cr2O72+H2O；(4). 步骤用硫酸调节溶液的pH至中性，Na2SiO3、NaAlO2生成不溶的H2SiO3和Al(OH)3，过滤，所得滤渣为H2SiO3和Al(OH)3； (7). 由CrO5的结构式可知，一个Cr原子与5个O原子形成6个CrO极性共价键，共用电子对都偏向于O原子，所以该氧化物中Cr为+6价。典例3（2018届贵州省黔东南州高三下学期第二次模拟考试）氯酸镁Mg(ClO3)2常用作催熟剂、除草剂等，工业大规模生产前，实验室先按如下流程进行模拟制备少量Mg(ClO3)26H2O：已知：卤块主要成分为MgCl26H2O,含有MgSO4、FeCl2等杂质。几种化合物的溶解度(S)随温度(T)变化曲线如右图。（1）卤块中加H2O2的目的是_，写出该反应的离子方程式_。（2）加入BaCl2的目的是除去SO42-,如何检验SO42-已沉淀完全？_。（3）常温下，加MgO调节pH=4后溶液中c(Fe3+)=_(已知KspFe(OH)3=410-38，过滤所得滤渣的主要成分有_。（4）加入NaClO3饱和溶液公有NaCl晶体析出，写出该反应的化学方程式：_，请利用该反应，结合上图，制取Mg(ClO3)26H2O的实验步骤依次为：取样，加入NaClO3饱和溶液充分反应；蒸发结晶；_；冷却结晶；过滤、洗涤，获得Mg(ClO3)26H2O晶体。【答案】 将Fe2+氧化为Fe3+ 2Fe2+H2O2+2H+=2Fe3+2H2O 静置，取上层清液加入BaCl2，若无白色沉淀，则SO42-沉淀完全 410-8 BaSO4和Fe(OH)3 MgCl2+2NaClO3=Mg(ClO3)2+2NaCl 趁热过滤了沉淀氢氧化铁，钡离子已经和硫酸根离子只碱反应生成了硫酸钡沉淀，则过滤所得滤渣的主要成分有BaSO4和Fe(OH)3；（4）加入NaClO3饱和溶液仅有NaCl晶体析出，则另外生成Mg(ClO3)2，反应的化学方程式为：MgCl2+2NaClO3=Mg(ClO3)2+2NaCl；根据物质的溶解度大小，溶液获得晶体的方法：蒸发结晶；趁热过滤；冷却结晶。三、对于易水解的盐结晶时要控制结晶条件典例4（2018届山西省高三第一次模拟考试）钴酸锂(LiCoO2)电池是一种应用广泛的新型电源，电池中含有少量的铝、铁、碳等单质。实验室尝试对废旧钴酸锂电池回收再利用。实验过程如下：已知：还原性：Cl-Co2+；Fe3+和C2O42-结合生成较稳定的 Fe(C2O4)33-，在强酸性条件下分解重新生成Fe3+。回答下列问题：（1）废旧电池初步处理为粉末状的目的是_。（2）从含铝废液得到Al(OH)3的离子反应方程式为_。（3）滤液A中的溶质除HCl、LiCl外还有_（填化学式）。写出LiCoO2和盐酸反应的化学方程式_。（4）滤渣的主要成分为_（填化学式）。（5）在空气中加热一定质量的CoC2O42H2O固体样品时，其固体失重率数据见下表，请补充完整表中问题。已知：CoC2O4在空气中加热时的气体产物为CO2固体失重率=对应温度下样品失重的质量/样品的初始质量序号温度范围/化学方程式固体失重率120-220CoC2O42H2OCoC2O4+2H2O19.67%300350_59.02%（6）已知Li2CO3的溶度积常数Ksp=8.6410-4，将浓度为0.02molL-1的Li2SO4和浓度为0.02 molL-1的Na2CO3溶液等体积混合，则溶液中的Li+浓度为_molL-1（7）从FeCl3溶液得到FeCl36H2O固体的操作关键是_。【答案】 增大接触面积，加快反应速率，提高浸出率 AlO2-+CO2+2H2O=Al(OH)3+HCO3- FeCl3、CoCl2 2LiCoO2+8HCl=2CoCl2+Cl2+4H2O+2LiCl C 2CoC2O4+O22CaO+ 4CO2 0.02 加入适量盐酸（或通入适量氯化氢气体） (3). 由题中信息可知，还原性ClCo2+，又因为还原性Fe2+Cl，所以LiCoO2中的+3价Co将Fe2+和Cl氧化，自身被还原成+2价Co，所以溶质还有FeCl3、CoCl2，根据上述分析可知，LiCoO2和盐酸反应的化学方程式为：2LiCoO2+8HCl=2CoCl2+Cl2+4H2O+2LiCl；(4). 因单质碳不溶于碱、盐酸和水，所以滤渣的主要成分是单质碳；(5).设有1molCoC2O42H2O受热分解，由题中信息可知，在300350时，固体失重率为59.02%，所以固体的残留率为40.98%，质量为75g，因为1molCo全部留在固体中，所以O的质量为16g，Co和O的原子个数比为1:1，固体产物为CoO，已知气体产物为CO2，根据得失电子守恒和原子守恒，该反应的化学方程式为：2CoC2O4+O2 2CaO+ 4CO2；(6). 将浓度为0.02molL-1的Li2SO4和浓度为0.02 molL-1的Na2CO3溶液等体积混合，溶液体积变为原来的2倍，Qc=c(Li+)2c(CO32)=(0.02mol/L)20.01mol/L=4106Ksp，所以两溶液混合后不产生沉淀，Li+的浓度为0.02mol/L；(7). 加热蒸发FeCl3溶液得FeCl36H2O固体时，会促进Fe3的水解，最终得到Fe(OH)3固体，因此在加热蒸发FeCl3溶液时，要加入适量的盐酸（或通入适量氯化氢气体）抑制Fe3的水解。四、不同温度下结晶出不同的晶体不同温度下结晶出不同的晶体管，根据需要控制不同的温度。典例5（2018届河北省衡水中学高三第二十次模拟考试）辉铜矿主要成分Cu2S,软锰矿主要成分MnO2，它们都含有少量SiO2、Fe2O3等杂质。工业上综合利用这两种矿物制备硫酸锰和碱式碳酸铜的主要工艺流程如下：已知：MnO2能将金属硫化物中的硫氧化为单质硫；Cu(NH3)4SO4常温稳定，在热水中会分解生成NH3；MnSO4H2O易溶于冷水，不溶于酒精;部分金属阳离子氢氧化物的（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 molL-1计算：当离子浓度小于1.010-5时，认为该离子沉淀完全。):Ksp(Fe(OH)3)=1.010-38, Ksp(Cu(OH)2)=1.010-20， Ksp(Mn(OH)2)=4.010-14（1）酸浸时，得到的浸出液中主要含有CuSO4、MnSO4等。写出该反应的化学方程式_。（2）调pH的范围为_。（3）在该工艺中可循环使用的物质是_；“加热驱氨” 环节，温度不能过低也不能过高的原因为_。（4）请根据如下图示，将“由碳酸锰经一系列操作获得MnSO4H2O晶体，并测定纯度”的实验方案补充完整。将碳酸锰固体溶于稀硫酸获得硫酸锰溶液;加热溶液并控制温度40，_得到粗产品；_，低温干燥，可得到较纯晶体。欲测定该品体的纯度，取14.00g晶体加蒸馏水配成100mL溶液，量取25.00mL,加足量标准BaCl2溶液，得到沉淀4.66g，则此样品的纯度为_(保留四位有效数字)。某小组计算发现本组样品纯度大于100%(测定过程中产生的误差可忽略)，其可能原因有_(任写一种)。【答案】 Cu2S+2MnO2+4H2SO4=2CuSO4+2MnSO4+S+4H2O 3pH4 NH3 温度过低，Cu(NH3)4SO4分解不完全，温度过高，会导致Cu2(OH)2CO3分解，这两种情况均会使碱式碳酸铜产量减少 蒸发结晶，趁热过滤 用酒精洗涤产品2-3次 96.57% 可能有混有硫酸盐(相对分子质量小于MnSO4)杂质或部分晶体失去结晶水。（3）分析工艺流程投入反应物和产物，产物氨气可以溶入水中形成氨水再投入循环使用，故可循环使用的物质为氨气； “加热驱氨” 环节，温度不能过低也不能过高的原因：温度过低，Cu(NH3)4SO4分解不完全，温度过高，会导致Cu2(OH)2CO3分解，这两种情况均会使碱式碳酸铜产量减少； (4)由曲线图知当温度低于40时析出MnSO45H2O晶体，高于40时析出MnSO4H2O晶体，因此硫酸锰溶液制备MnSO4H2O的实验必须保证溶液温度高于40；然后通过蒸发结晶，趁热过滤，得到粗产品； 为减少产品的损失，用酒精洗涤产品2-3次，低温干燥，可得到较纯晶体；硫酸钡的量为4.66/233=0.02mol，硫酸根离子的总量为0.02mol，原晶体中含有的硫酸根离子的总量为0.02100/25=0.08mol，硫酸锰晶体的质量为0.08169g， 则此样品的纯度为0.08169/14100%=96.57% ；用标准氯化钡溶液测定样品中MnSO45H2O质量分数时，发现样品纯度大于100%，说明样品中硫酸根离子质量分数大于MnSO45H2O中硫酸根离子质量分数，故只要能增大样品中硫酸根离子质量分数的原因均合理，则可能原因是样品中混有硫酸盐杂质或部分晶体失去结晶水。典例6（2018届湖南省衡阳市高三第一次联考一模）NaClO2是一种漂白、消毒剂,广泛应用于纸浆、棉纺等物质漂白。一种制备NaClO2粗产品的工艺流程如下图所示：已知:纯净的ClO2因易分解而发生爆炸。NaClO2饱和溶液在低于38时析出NaClO23H2O晶体;高于38时析出NaClO2晶体;高于60时NaClO2分解生成NaClO3和NaCl。试回答下列问题：（1）向发生器中鼓入足量空气,其目的是_(选填序号)。a.将SO2氧化成SO3,以增强酸性b.稀释CO2气体,以防止发生爆炸c.将发生器中气体全部吹出,以减少ClO2损失（2）吸收塔中反应的离子方程式为_（3）ClO2发生器中反应的化学方程式为_（4）从吸收塔中可获得 NaClO2溶液,从NaClO2溶液到NaCO2产品,经过的操作步骤依次为:_下减压蒸发结晶;_；洗涤;低温干燥,得到成品。（5）“电解”中阳极的电极反应式是_，阴极反应的主要产物是_。【答案】 bc 2ClO2H2O22OH = 2ClO2O22H2O 2NaClO3SO2H2SO4 = 2ClO22NaHSO4 3860 过滤 2Cl2e = Cl2 ClO2（或NaClO2）【解析】（1）通过流程过程可以看出，向发生器中鼓入足量空气，其目的是稀释ClO2气体，以防止发生爆炸；将发生器中气体全部吹出，以减少ClO2损失；发生器中已经加入硫酸了，酸性已经增强，所以将SO2氧化成SO3，以增强酸性是错误的；（2）ClO2与H2O2在碱性环境下，生成NaClO2，H2O2在该反应中做还原剂，被氧化为氧气，反应的离子方程式为2ClO2H2O22OH = 2ClO2O22H2O；（3）NaClO3具有氧化性，被还原为ClO2，SO2被氧化为硫酸根离子，产生ClO2化学方程式为2NaClO3SO2H2SO4 = 2ClO22NaHSO4；（4）根据题给信息：NaClO2饱和溶液在低于38时析出NaClO23H2O晶体；高于38时析出；NaClO2晶体高于60时NaClO2分解生成NaClO3和NaCl可知：从吸收塔中可获得 NaClO2溶液，从NaClO2溶液到NaCO2产品，经过的操作步骤依次为：控温3860下减压蒸发结晶；过滤；洗涤；低温干燥，得到成品。（5）电解饱和食盐水，阳极产生氯气，阳极的电极反应式是2Cl2e = Cl2 ； ClO2在阴极得电子还原为ClO2（或NaClO2）。
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