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1、專項突破（一） 金屬及其化合物在化工流程中的轉(zhuǎn)化,化學工藝流程題是將化工生產(chǎn)中的生產(chǎn)流程用框圖形式表示出來,并根據(jù)生產(chǎn)流程中有關(guān)的化學知識步步設問,是無機框圖題的創(chuàng)新。它以現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)為基礎,與化工生產(chǎn)成本、產(chǎn)品提純、環(huán)境保護等相融合,考查物質(zhì)的制備、檢驗、分離、提純等基本實驗原理在化工生產(chǎn)中的實際應用,要求考生依據(jù)流程圖分析原理,緊扣信息、抓住關(guān)鍵、準 確答題。這類試題具有較強的實用性和綜合性,是近幾年高考化學試題的常考題型。,類型一以物質(zhì)制備為目的的化學工藝流程 1.工藝流程圖,2.原料處理階段的常見考查點 (1)加快反應速率的方法。 (2)溶解:酸浸(用硫酸、鹽酸等)和堿浸(NaOH溶液
2、等)。 (3)灼燒、焙燒、煅燒:改變結(jié)構(gòu),使一些物質(zhì)在高溫下被氧化或分解。,3.分離提純階段的常見考查點 (1)調(diào)pH除雜 控制溶液的酸堿性使其中的某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。如除去含Al3+、Mn2+溶液中混有的Fe2+,先用氧化劑把Fe2+氧化為Fe3+,再調(diào)節(jié)溶液的pH。 調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)一般應滿足兩點:一是能與H+反應,使溶液pH增大;二是不引入新雜質(zhì)。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等物質(zhì)來調(diào)節(jié)溶液的pH。,(2)加熱:加快反應速率或促進平衡向某個方向移動。 如果在制備過程中出現(xiàn)一些受熱易分解的物質(zhì),則要注意對溫度
3、的控制。如NaHCO3、H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、濃HNO3等物質(zhì)。 (3)降溫:防止某物質(zhì)在高溫時分解或使化學平衡向題目要求的方向移動。,4.獲得產(chǎn)品階段的常見考查點 (1)洗滌(冰水、熱水或乙醇):洗去晶體表面的雜質(zhì)離子,并減少晶體在洗滌過程中的溶解損耗。 (2)蒸發(fā)時在某氣體氛圍中進行以抑制水解:如從溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶質(zhì)時,應在HCl的氣流中加熱,以抑制Fe3+、Al3+、Mg2+等的水解。 (3)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶:如NaCl和KNO3混合溶液,若將混合溶液加熱蒸發(fā)后再降溫結(jié)晶,則析出的固體主要是KNO3,這樣就可分離出大部分,
4、KNO3。 (4)蒸發(fā)結(jié)晶:如NaCl和KNO3混合溶液,若將混合溶液蒸發(fā)至析出固體,析出的固體主要是NaCl。 典例1(2017課標,27,15分)重鉻酸鉀是一種重要的化工原料,一般由鉻鐵礦制備,鉻鐵礦的主要成分為FeOCr2O3,還含有硅、鋁等雜質(zhì)。制備流程如圖所示:,回答下列問題: (1)步驟的主要反應為: FeOCr2O3+Na2CO3+NaNO3 Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2 上述反應配平后FeOCr2O3與NaNO3的系數(shù)比為。 該步驟不能使用陶瓷容器,原因是。 (2)濾渣1中含量最多的金屬元素是,濾渣2的主要成分是及含硅雜質(zhì)。 (3)步驟調(diào)濾液2的pH使之變(填
5、“大”或“小”),原因是 (用離子方程式表示)。,(4)有關(guān)物質(zhì)的溶解度如圖所示。向“濾液3”中加入適量KCl,蒸發(fā)濃縮,冷卻結(jié)晶,過濾得到K2Cr2O7固體。冷卻到(填標號)得到的 K2Cr2O7固體產(chǎn)品最多。,a.80 b.60 c.40 d.10 ,步驟的反應類型是。 (5)某工廠用m1 kg鉻鐵礦粉(含Cr2O3 40%)制備K2Cr2O7,最終得到產(chǎn)品m2 kg,產(chǎn)率為。,解題流程,答案(1)27陶瓷在高溫下會與Na2CO3反應 (2)FeAl(OH)3 (3)小2Cr+2H+ Cr2+H2O (4)d復分解反應 (5)100%,解析本題以K2Cr2O7的制備為載體,考查氧化還原反應
6、原理、平衡移動原理等。由題中所給反應可知濾渣1為Fe2O3,濾液1中含有Al3+、Si,調(diào)節(jié)pH=7,則濾渣2中含Al(OH)3及含硅雜質(zhì),濾液2中含有Cr、Na +,此時調(diào)節(jié)pH促使平衡2Cr+2H+ Cr2+H2O正向移動,再加入 KCl得到K2Cr2O7。 (1)利用得失電子守恒方法配平:2FeOCr2O3+4Na2CO3+7NaNO3 4Na2 CrO4+Fe2O3+4CO2+7NaNO2,則FeOCr2O3與NaNO3的系數(shù)比為27。陶瓷中含有SiO2,在高溫下能與Na2CO3反應,會損壞儀器。,(2)由步驟可知熔塊中含有NaNO2、Na2CrO4、Fe2O3等,故濾渣1中含量最多的
7、金屬元素為Fe,而步驟需除去Al3+及含硅物質(zhì),故濾渣2中應主要含Al(OH)3及含硅雜質(zhì)。 (3)步驟調(diào)pH的目的是促進Cr轉(zhuǎn)化為Cr2,根據(jù)2Cr+2H+ Cr2+H2O,可知應增大c(H+),故pH要變小。 (4)根據(jù)溶解度曲線圖可知,選擇K2Cr2O7溶解度小于溶液中其他溶質(zhì)溶解度且溶解度最小的溫度區(qū),故選d。反應為2K++Cr2 K2Cr2O7, 此反應為復分解反應。,(5)根據(jù)Cr原子守恒建立關(guān)系式: Cr2O3 K2Cr2O7 152 294 m140% kgm(K2Cr2O7) m(K2Cr2O7)= kg 故產(chǎn)率為100%=100%。,1.(2017課標,27,14分)
8、Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料,可利用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3,還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì))來制備。工藝流程如下: 回答下列問題: (1)“酸浸”實驗中,鐵的浸出率結(jié)果如下圖所示。由圖可知,當鐵的浸,出率為70%時,所采用的實驗條件為。 (2)“酸浸”后,鈦主要以TiOC形式存在,寫出相應反應的離子方程式 。,(3)TiO2xH2O沉淀與雙氧水、氨水反應40 min所得實驗結(jié)果如下表所示:,分析40 時TiO2xH2O轉(zhuǎn)化率最高的原因。 (4)Li2Ti5O15中Ti的化合價為+4,其中過氧鍵的數(shù)目為。 (5)若“濾液”中c(Mg2+)=0.02 mol
9、L-1,加入雙氧水和磷酸(設溶液體積增加1倍),使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1.010-5 molL-1,此時是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?,(列式計算)。FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分別為1.310-22、1.010-24。 (6)寫出“高溫煅燒”中由FePO4制備LiFePO4的化學方程式。,答案(1)100 、2 h,90 、5 h (2)FeTiO3+4H++4Cl- Fe2++TiOC+2H2O (3)低于40 ,TiO2xH2O轉(zhuǎn)化反應速率隨溫度升高而增加;超過40 ,雙氧水分解與氨氣逸出導致TiO2xH2O轉(zhuǎn)化反應速率下降 (4)4 (5)Fe3+
10、恰好沉淀完全時,c(P)= molL-1=1.310-17molL-1,c3(Mg2 +)c2(P)值為0.013(1.310-17)2=1.710-40
11、i的化合價為+4,Li的化合價為+1,所以正化合價的和為45+12=22。設過氧鍵數(shù)目為x,則x2+(15-2x)2=22,解得x=4。 (6)FePO4中Fe顯+3價,LiFePO4中Fe顯+2價,FePO4作氧化劑,則H2C2O4作,還原劑,高溫煅燒時應生成CO2,據(jù)此可寫出反應的化學方程式。,2.(2018江蘇單科,16,12分)以高硫鋁土礦(主要成分為Al2O3、Fe2O3、SiO2,少量FeS2和金屬硫酸鹽)為原料,生產(chǎn)氧化鋁并獲得Fe3O4的部分工藝流程如下: (1)焙燒過程均會產(chǎn)生SO2,用NaOH溶液吸收過量SO2的離子方程式為。,(2)添加1% CaO和不添加CaO的礦粉焙燒
12、,其硫去除率隨溫度變化曲線如圖所示。 已知:多數(shù)金屬硫酸鹽的分解溫度都高于600 ,硫去除率=(1-)100% 不添加CaO的礦粉在低于500 焙燒時,去除的硫元素主要來源于。 700 焙燒時,添加1% CaO的礦粉硫去除率比不添加CaO的礦粉硫去除率低,其主要原因是。 (3)向“過濾”得到的濾液中通入過量CO2,鋁元素存在的形式由(填化學式)轉(zhuǎn)化為(填化學式)。 (4)“過濾”得到的濾渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3與FeS2混合后在缺氧,條件下焙燒生成Fe3O4和SO2,理論上完全反應消耗的n(FeS2)n(Fe2O3)=。,答案(1)SO2+OH- HS (2)FeS2硫元素轉(zhuǎn)化為Ca
13、SO4而留在礦粉中 (3)NaAlO2Al(OH)3 (4)116,,解析本題考查化學工藝流程的分析、硫及其化合物,氧化還原反應的計算。 (1)用NaOH溶液吸收過量SO2生成NaHSO3,離子方程式為OH-+SO2 HS。 (2)FeS2在低于500 焙燒時能與空氣中的O2反應生成Fe2O3和SO2,發(fā)生的反應為4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2,故不添加CaO的礦粉在焙燒時 去除的硫元素主要來源于FeS2;700 焙燒時,添加CaO后,硫元素轉(zhuǎn)化為CaSO4而留在礦粉中,使礦粉硫去除率降低。,(3)礦粉焙燒后加NaOH溶液堿浸時,Al2O3能與NaOH溶液反應生成NaA-lO2,發(fā)
14、生的反應為Al2O3+2NaOH 2NaAlO2+H2O,過濾后,NaAlO2在濾 液中,向濾液中通入過量CO2時,發(fā)生反應NaAlO2+CO2+2H2O Al(OH)3 +NaHCO3,所以鋁元素存在的形式由NaAlO2轉(zhuǎn)化為Al(OH)3。 (4)分析反應前后元素化合價的變化,利用得失電子守恒知:n(FeS2)+5 2n(FeS2)=2n(Fe2O3),解得=,即理論上完全反應消耗的n(FeS2)n(Fe2O3)=116。,3.(2015課標,27,14分)硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦(主要成分為Mg2B2O5H2O和Fe3O4,還有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和
15、SiO2等)為原料制備硼酸(H3BO3)的工藝流程如圖所示: 回答下列問題:,(1)寫出Mg2B2O5H2O與硫酸反應的化學方程式。為提高浸出速率,除適當增加硫酸濃度外,還可采取的措施有(寫出兩條)。 (2)利用的磁性,可將其從“浸渣”中分離。“浸渣”中還剩余的物質(zhì)是。(寫化學式) (3)“凈化除雜”需先加H2O2溶液,作用是。然后再調(diào)節(jié)溶液的pH約為5,目的是。 (4)“粗硼酸”中的主要雜質(zhì)是(填名稱)。,(5)以硼酸為原料可制得硼氫化鈉(NaBH4),它是有機合成中的重要還原劑,其電子式為。 (6)單質(zhì)硼可用于生產(chǎn)具有優(yōu)良抗沖擊性能的硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼,用化學方程式表
16、示制備過程。,答案(1)Mg2B2O5H2O+2H2SO4 2H3BO3+2MgSO4提高反應溫 度、減小鐵硼礦粉粒徑 (2)Fe3O4SiO2和CaSO4 (3)將Fe2+氧化成Fe3+使Fe3+與Al3+形成氫氧化物沉淀而除去 (4)(七水)硫酸鎂 (5)Na+HH- (6)2H3BO3 B2O3+3H2O、B2O3+3Mg 2B+3MgO,解析(1)硫酸可與硼酸鹽反應制取酸性較弱的硼酸,所以Mg2B2O5H2O與硫酸反應的化學方程式為:Mg2B2O5H2O+2H2SO4 2MgSO4+2H3 BO3。為提高浸出速率,除適當增加硫酸濃度外,還可采取提高反應溫度、減小鐵硼礦粉粒徑等措施。 (
17、2)Fe3O4有磁性,可利用其磁性將其從“浸渣”中分離;“浸渣”中還剩余的物質(zhì)是SiO2和CaSO4。 (3)“凈化除雜”需先加H2O2溶液,其作用是把Fe2+氧化為Fe3+,然后調(diào)節(jié)溶液的pH約為5,使Al3+和Fe3+以Al(OH)3、Fe(OH)3形式沉降而除去。,(4)“粗硼酸”中所含雜質(zhì)主要是沒有除去的易溶性鎂鹽,故為(七水)硫酸鎂。 (5)硼氫化鈉的電子式為Na+HH-。 (6)利用Mg的還原性制取硼的化學方程式為2H3BO3 B2O3+3H2O、 B2O3+3Mg 2B+3MgO。,思維建模 無機物制備工藝流程題的破解方法,1.首尾分析法 對一些線型流程工藝(從原料到產(chǎn)品為“一條
18、龍”的生產(chǎn)工序)題,首先對比分析流程圖中第一種物質(zhì)(原材料)與最后一種物質(zhì)(產(chǎn)品),從對比分析中找出原料與產(chǎn)品之間的關(guān)系,弄清生產(chǎn)過程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本原理和分離、提純產(chǎn)品的化工工藝,然后結(jié)合題設的問題,逐一推敲解答。,2.截段分析法 對于用同樣的原材料生產(chǎn)多種(兩種或兩種以上)產(chǎn)品(包括副產(chǎn)品)的工藝流程題,用截段分析法更容易找到解題的切入點。用截段分析法解工藝流程題關(guān)鍵在于看清主、副產(chǎn)品是如何分開的,以此確定如何截段,截幾段更合適,一般截段以產(chǎn)品為準點。,類型二以分離提純?yōu)槟康牡幕瘜W工藝流程 1.物質(zhì)分離提純的原則 (1)不增:不引入新的雜質(zhì)。 (2)不減:不減少被提純的物質(zhì)。 (3)
19、易分離:被提純物與雜質(zhì)易于分離。 (4)易復原:被提純的物質(zhì)易恢復原來的組成、狀態(tài)。,2.常用的提純方法,3.常用的分離方法,典例2(2016課標,28,14分)以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生產(chǎn)硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為:,以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線: 回答下列問題: (1)“酸浸”時V2O5轉(zhuǎn)化為V,反應的離子方程式為 ,同時V2O4轉(zhuǎn)化成VO2+?！皬U渣1”的主要成分是。,(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2+變?yōu)閂,則需要氧化劑KClO3至少為 mol。 (3)“中和”作用之一是使釩以V4形
20、式存在于溶液中?！皬U渣2”中 含有。 (4)“離子交換”和“洗脫”可簡單表示為:4ROH+V4 R4 V4O12+4OH-(ROH為強堿性陰離子交換樹脂)。為了提高洗脫效率,淋洗液應該呈性(填“酸”“堿”或“中”)。 (5)“流出液”中陽離子最多的是。,(6)“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀,寫出“煅燒”中發(fā)生反應的化學方程式。 解題流程,,答案(1)V2O5+2H+ 2V+H2OSiO2 (2)0.5(3)Fe(OH)3和Al(OH)3 (4)堿 (5)K+ (6)2NH4VO3 V2O5+2NH3+H2O,解析(1)V2O5及V中的V化合價均為+5價,“酸浸”時,發(fā)生非氧化還 原反
21、應,根據(jù)原子守恒及電荷守恒不難寫出離子方程式;“酸浸”時,V2O5轉(zhuǎn)化成V,V2O4轉(zhuǎn)化成VO2+,K2SO4可溶于水,Fe2O3及Al2O3分別轉(zhuǎn)化 成Fe3+和Al3+,所以“廢渣1”的主要成分是SiO2。 (2)欲使3 mol VO2+變?yōu)閂需轉(zhuǎn)移3 mol e-,1 mol KClO3作氧化劑生成Cl- 轉(zhuǎn)移6 mol e-,所以需KClO3至少0.5 mol。 (3)“中和”時加入KOH溶液,釩以V4形式存在于溶液中,K2SO4可溶, Fe3+和Al3+分別轉(zhuǎn)化成Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀進入“廢渣2”。,(4)該反應的逆反應為洗脫過程,增大c(OH-),有利于平衡向左移動,
22、所以淋洗液應呈堿性。 (5)由流程圖可以看出,H+在酸浸時損耗,釩轉(zhuǎn)化為V4(陰離子),Fe3+及 Al3+轉(zhuǎn)化為沉淀,所以“流出液”中陽離子最多的是K+。 (6)“煅燒”時肯定得到V2O5,其他物質(zhì)自然寫出。 對點訓練,4.(2017課標,26,14分)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分為CaO、SiO2,并含有一定量的鐵、鋁和鎂等金屬的氧化物。實驗室測定水泥樣品中鈣含量的過程如圖所示: 回答下列問題: (1)在分解水泥樣品過程中,以鹽酸為溶劑,氯化銨為助溶劑,還需加入幾滴硝酸。加入硝酸的目的是,,還可使用代替硝酸。 (2)沉淀A的主要成分是,其不溶于強酸但可與一種弱酸反應,該反應的化
23、學方程式為。 (3)加氨水過程中加熱的目的是。沉淀B的主要成分為、(寫化學式)。 (4)草酸鈣沉淀經(jīng)稀H2SO4處理后,用KMnO4標準溶液滴定,通過測定草酸的量可間接獲知鈣的含量,滴定反應為:Mn+H++H2C2O4Mn2++CO2 +H2O。實驗中稱取0.400 g水泥樣品,滴定時消耗了0.050 0 molL-1的,KMnO4溶液36.00 mL,則該水泥樣品中鈣的質(zhì)量分數(shù)為。,答案(1)將樣品中可能存在的Fe2+氧化為Fe3+H2O2 (2)SiO2(或H2SiO3)SiO2+4HF SiF4+2H2O(或H2SiO3+4HFSiF4 +3H2O) (3)防止膠體生成,易沉淀分離Al(
24、OH)3Fe(OH)3 (4)45.0%,解析本題以物質(zhì)轉(zhuǎn)化流程為主線,考查Ca、Al、Fe、Mg、Si等元素及其化合物的相關(guān)知識。加入鹽酸及氯化銨和硝酸后,只有SiO2不溶,故沉淀A為SiO2。濾液中含有Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+等離子,加入氨水調(diào)節(jié)pH至45時,Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3,Al3+轉(zhuǎn)化為Al(OH)3,故沉淀B主要為Fe(OH)3、Al(OH)3。 (1)加入硝酸的目的是將樣品中可能存在的Fe2+氧化為Fe3+,還可以用H2O2代替硝酸。 (2)SiO2可以溶于氫氟酸,反應方程式為4HF+SiO2SiF4+2H2O。,(3)加入氨水時加熱可以促進Fe3+、Al3+等水解,形成沉淀,沉淀B主要為Fe(OH)3、Al(OH)3。 (4)配平方程式可得對應關(guān)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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