2021高考化学鲁科版一轮复习教师用书第三章第6课时　无机化工流程题解题指导

第6课时　无机化工流程题解题指导

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考点　无机化工流程题解题指导

1.题型解读

无机化工流程题是以实际的工业生产过程为背景,以解决化学实际问题为思路设置问题,通常以流程图的形式呈现生产过程,有时还结合表格和图像提供多种信息。试题的结构通常分为题头、流程和设问三部分。题头一般是简单介绍该工艺生产的原材料和工艺生产的目的(包括副产品);流程部分主要用框图形式将原料到产品的主要生产工艺流程表示出来;设问主要是根据生产过程中涉及的化学知识来设置,从而组成一道完整的化学试题。从要解决的问题看,这类试题通常有两个目的:一是从混合物中分离、提纯某种物质;二是利用某些物质制备另一物质。

2.过程解读

3.答题指导

(1)工艺流程题常见答题方向

(2)物质成分确定方法

①滤渣、滤液成分的确定

要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂反应的情况:

a.反应过程中哪些物质(离子)消失了?

b.所加试剂是否过量或离子间发生化学反应,又产生了哪些新离子?要考虑这些离子间是否会发生反应。

②循环物质的确定

③副产品的判断

4.解题要点

(1)审题要点

①了解生产目的、原料及产品;②了解题目提供的信息;③分析各步的反应条件、原理及物质成分;④理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。

(2)答题切入点

①原料及产品的分离提纯;②生产目的及反应原理;③生产要求及反应条件;④有关产率、产量及组成的计算;⑤绿色化学。

题型一　以物质制备为目的的工艺流程

[典例1] (2019·全国Ⅰ卷)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:

回答下列问题:

(1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为　                         。

(2)“滤渣1”的主要成分有　                  。

为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+,可选用的化学试剂是　　　　。

(3)根据H3BO3的解离反应:H3BO3+H2OH++,Ka=5.81×10-10,可判断H3BO3是　　　　酸;在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是　                      

                                                                 　。

(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为　                

                ,母液经加热后可返回　　　　　　　　工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是　               。

解析:(1)根据流程图知硼镁矿粉中加入硫酸铵溶液产生的气体为氨气,用碳酸氢铵溶液吸收,反应方程式为NH3+NH4HCO3(NH4)2CO3。

(2)滤渣1为不与硫酸铵溶液反应的Fe2O3、Al2O3、SiO2;检验Fe3+的试剂为KSCN。

(3)由硼酸的解离方程式知,硼酸在水溶液中是通过与水分子的配位作用产生氢离子,而三价硼原子最多只能再形成一个配位键,且硼酸不能完全解离,所以硼酸为一元弱酸;在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是将转化为H3BO3,并促进H3BO3析出。

(4)沉镁过程中用碳酸铵溶液与 Mg2+反应生成Mg(OH)2∙MgCO3,沉镁过程的离子反应为2Mg2++2H2O+3Mg(OH)2∙MgCO3↓+2或2Mg2++2+H2O

Mg(OH)2·MgCO3↓+CO2↑;母液加热分解后生成硫酸铵溶液,可以返回“溶浸”工序循环使用;碱式碳酸镁不稳定,高温下可以分解,故由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是高温焙烧。

答案:(1)NH4HCO3+NH3(NH4)2CO3

(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN

(3)一元弱　转化为H3BO3,促进析出

(4)2Mg2++3+2H2OMg(OH)2·MgCO3↓+2 [或2Mg2++2+H2O

Mg(OH)2·MgCO3↓+CO2↑]　溶浸　高温焙烧

[对点精练1] (2019·全国Ⅱ卷)立德粉ZnS·BaSO4(也称锌钡白),是一种常用白色颜料。回答下列问题:

(1)利用焰色反应的原理既可制作五彩缤纷的节日烟花,亦可定性鉴别某些金属盐。灼烧立德粉样品时,钡的焰色为　　　　(填标号)。

A.黄色 B.红色 C.紫色 D.绿色

(2)以重晶石(BaSO4)为原料,可按如下工艺生产立德粉:

①在回转炉中重晶石被过量焦炭还原为可溶性硫化钡,该过程的化学方程式为

　                                                               。

回转炉尾气中含有有毒气体,生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为CO2和一种清洁能源气体,该反应的化学方程式为　                              。

②在潮湿空气中长期放置的“还原料”,会逸出臭鸡蛋气味的气体,且水溶性变差。其原因是“还原料”表面生成了难溶于水的　　　　　　 　　(填化学式)。

③沉淀器中反应的离子方程式为 　　　　　　　　                   　。

(3)成品中S2-的含量可以用“碘量法”测得。称取m g样品,置于碘量瓶中,移取25.00 mL 0.100 0 mol·L-1的 I2KI溶液于其中,并加入乙酸溶液,密闭,置暗处反应 5 min,有单质硫析出。以淀粉为指示剂,过量的I2用0.100 0 mol·L-1Na2S2O3溶液滴定,反应式为I2+22I-+。测定时消耗Na2S2O3溶液体积V mL。终点颜色变化为　　   　　　　　        　,样品中S2-的含量为　         

(写出表达式)。

解析:(1)钡的焰色为绿色,故D正确。

(2)①焦炭过量生成CO,反应物为硫酸钡与焦炭,产物为BaS与CO,化学方程式为BaSO4+4CBaS+4CO↑;CO与水蒸气反应生成CO2与H2,化学方程式为CO+H2O

CO2+H2。

②根据信息臭鸡蛋气味气体为硫化氢气体,强酸制弱酸原理,还原料硫化钡与空气中的水、二氧化碳反应生成了碳酸钡与硫化氢气体。

③硫化钡与硫酸锌为可溶性强电解质,写成离子形式,产物ZnS·BaSO4为沉淀,不可拆写成离子,离子方程式为S2-+Ba2++Zn2++BaSO4·ZnS↓。

(3)碘单质与硫离子的反应:S2-+I2S+2I-;碘单质与淀粉混合为蓝色,用硫代硫酸钠滴定过量的I2,终点颜色变为浅蓝色至无色;根据氧化还原反应得失电子数相等,利用关系式法解题;根据化合价升降相等列关系式,设硫离子物质的量为n mol:

S2-　～　I2　　2　　～　　　　I2

1 mol 1 mol 2 mol 1 mol

n mol n mol 0.100 0V×10-3 mol ×0.100 0V×10-3 mol

n mol+×0.100 0V×10-3 mol=25.00×0.100 0×10-3 mol,得n=(25.00-V)×0.100 0×10-3

则样品中硫离子含量为×100%=×100%。

答案:(1)D　(2)①BaSO4+4CBaS+4CO↑　

CO+H2OCO2+H2　②BaCO3　③S2-+Ba2++Zn2++BaSO4·ZnS↓　

(3)浅蓝色至无色　

×100%

[对点精练2] (2019·皖江名校联考)钛是一种重要的金属,以钛铁矿[主要成分为钛酸亚铁(FeTiO3),还含有少量Fe2O3]为原料制备钛的工艺流程如图所示。

(1)滤液1中钛元素以TiO2+形式存在,则“溶浸”过程发生的主要反应的化学方程式为 　                    。

(2)物质A为　　　(填化学式),“一系列操作”为　　　　　　　　　　　　　。

(3)“水解”步骤中生成TiO2·xH2O,为提高TiO2·xH2O的产率,可采取的措施有　　　　　　     　　　　、　　　　　　   　 　　　　(写出两条)。

(4)“电解”是以石墨为阳极,TiO2为阴极,熔融CaO为电解质。阴极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　;若制得金属Ti 9.60 g,阳极产生气体

　　　　mL(标准状况下)。 

(5)将少量FeSO4·7H2O溶于水,加入一定量的NaHCO3溶液,可制得FeCO3,写出反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　　;若反应后的溶液中c(Fe2+)=

2×10-6 mol·L-1,则溶液中c()=　　　　mol·L-1。(已知:常温下FeCO3饱和溶液浓度为4.5×10-6 mol·L-1) 

解析:(1)因钛铁矿主要成分为FeTiO3,且滤液1中钛元素以TiO2+形式存在,所以其主要反应化学方程式为FeTiO3+2H2SO4TiOSO4+FeSO4+2H2O。

(2)该流程中还有副产物FeSO4·7H2O,故需将溶浸产物中的Fe3+除去,物质A为Fe,“一系列操作”包括蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。

(3)“水解”反应为TiO2++(x+1)H2OTiO2·xH2O↓+2H+,根据平衡移动原理,为提高TiO2·xH2O的产率可以加水稀释反应物、加碱中和生成的酸、加热等。

(4)“电解”过程中阴极反应:TiO2+4e-Ti+2O2-,阳极反应:2O2--4e-O2↑,若制得金属Ti 9.60 g,则n(Ti)=n(O2)=0.2 mol,V(O2)=4 480 mL(标准状况下)。

(5)由题意知该反应离子方程式为Fe2++2FeCO3↓+CO2↑+H2O;常温下FeCO3饱和溶液浓度为4.5×10-6 mol·L-1,Ksp(FeCO3)=2.025×10-11 mol2·L-2,则c()

= mol·L-1≈1×10-5 mol·L-1。　

答案:(1)FeTiO3+2H2SO4TiOSO4+FeSO4+2H2O

(2)Fe　蒸发浓缩、冷却结晶、过滤

(3)加水稀释反应物、加碱中和生成的酸、加热等(任写两条)

(4)TiO2+4e-Ti+2O2-　4 480

(5)Fe2++2FeCO3↓+CO2↑+H2O

1×10-5

题型二　以分离提纯为目的的工艺流程

[典例2] (2018·江苏卷)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%

①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　　　 　。

②700 ℃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)=　           。

解析:(1)NaOH吸收过量SO2的离子方程式为SO2+OH-。

(2)①由已知多数金属硫酸盐的分解温度都高于 600 ℃,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杂质FeS2。

②700 ℃焙烧时,FeS2中的硫元素生成SO2,添加CaO后,SO2会与CaO、O2反应生成CaSO4而留在矿粉中。

(3)用NaOH溶液碱浸后,Al2O3、SiO2溶解,转化为 NaAlO2 和Na2SiO3,通入过量CO2后,NaAlO2与CO2反应转化为Al(OH)3。

(4)Fe2O3与FeS2在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2,发生反应的化学方程式配平为16Fe2O3+FeS211Fe3O4+2SO2↑,可得关系式FeS2～16Fe2O3,则理论上完全反应消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)=1∶16。

答案:(1)SO2+OH-

(2)①FeS2　②硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中

(3)NaAlO2　Al(OH)3

(4)1∶16

[对点精练3] (2019·陕西西安远东一中期中)某工业废液中含有Cu2+、Mg2+、Zn2+等离子,为将其回收利用,采用了如下工艺:

所用试剂在下列试剂中选择:

①铁粉　②锌粉　③稀HNO3　④稀H2SO4　

⑤稀HCl　⑥稀氨水　⑦NaOH溶液　⑧石灰水

请回答下列问题:(提示:锌的氧化物、氢氧化物性质与铝的相似)

(1)试剂1、试剂2、试剂3分别可以是　　　、　　　、　　　(填编号)。 

(2)操作2是　　　　　　、　　　　　、　　　　　。 

(3)操作3是　　　　　　　　　　　　。 

解析:废液中含有Cu2+、Mg2+、Zn2+等离子,加入试剂1得到固体,且固体中加入试剂2得到Cu,故固体中含有Cu,那么试剂1是能还原铜离子的物质,结合题目得知,试剂1为锌粉,试剂2是可以溶解过量锌粉且不能溶解Cu的物质,可以是稀硫酸或稀盐酸,为了不引入新杂质,选择稀盐酸。操作1后的溶液中含有Mg2+和Zn2+,加入试剂3生成Mg(OH)2沉淀,试剂3为NaOH,依据“Zn(OH)2的性质与Al(OH)3相似”,过量的NaOH与Zn2+生成的物质可溶,此溶液中通入CO2气体生成Zn(OH)2,

Zn(OH)2加热分解生成ZnO。

(1)由分析可知:试剂1、试剂2、试剂3分别可以是②、⑤、⑦。

(2)操作2是从溶液中得到固体,故操作是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。

(3)由于氯化镁为强酸弱碱盐,镁离子容易水解,故应在HCl气流中加热以防止镁离子水解。

答案:(1)②　⑤　⑦

(2)蒸发浓缩　冷却结晶　过滤

(3)在HCl气流中加热

[对点精练4] (2019·山东安丘质量检测)钴被誉为战略物资,有出色的性能和广泛的应用。以水钴矿(主要成分为Co2O3、CoO、CuO、Fe2O3、CaO、MgO、NiO和SiO2等)为原料制备CoCl2·6H2O的工艺流程如图所示:

回答下列问题:

(1)“酸浸”

①钴的浸出率随酸浸时间、温度的变化关系如图所示。综合考虑成本,应选择的最佳工艺条件为　　　　　;滤渣A的主要成分为　　　　　。

②写出Co2O3与浓硫酸反应生成CoSO4的化学方程式:

                                                               　。 

(2)“净化除杂”过程包括除铁、除钙镁、除铜等步骤。

①除铁:加入适量Na2SO4固体,析出淡黄色晶体黄钠铁矾Na2Fe6(SO4)4(OH)12,写出反应的离子方程式:                                                  

                                              　                   。

②除铜:加入适量Na2S2O3,发生反应2CuSO4+2Na2S2O3+2H2OCu2S↓+S↓+2Na2SO4+

2H2SO4,Na2S2O3中硫元素的化合价是　　　　　,上述反应每消耗15.8 g Na2S2O3,反应中转移电子　　　　mol。

(3)“萃取和反萃取”

①“水相C”中的溶质主要是Na2SO4和　　　　           (写化学式)。

②实验室称取100 g原料(含钴11.80%),反萃取时得到浓度为0.036 mol·L-1的CoCl2溶液5 L,忽略损耗,钴的产率=　　　　　　(产率=×

100%)。 

解析:(1)①结合题给图像和钴的浸出率来看,综合考虑成本,应选择的最佳工艺条件为12 h、90 ℃;水钴矿主要成分中SiO2在酸浸过程中不能溶解,所以滤渣A的主要成分为SiO2(二氧化硅)。

②Co2O3与浓硫酸反应生成CoSO4,可知Co2O3作氧化剂,而硫酸中的H、S都处于最高价,故Co2O3只能氧化硫酸中的氧元素生成O2,根据电子守恒可以写出该反应的化学方程式为2Co2O3+4H2SO4(浓)4CoSO4+4H2O+O2↑。

(2)①加入适量Na2SO4固体,析出淡黄色晶体黄钠铁矾Na2Fe6(SO4)4(OH)12,根据原子守恒可写出反应的离子方程式为2Na++6Fe3++4+12H2O

Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓+12H+。

②加入适量Na2S2O3,发生反应2CuSO4+2Na2S2O3+2H2OCu2S↓+S↓+2Na2SO4+2H2SO4,Na2S2O3中硫元素的平均化合价是+2,化合价降低的是铜从+2价降到+1价,Na2S2O3中有一部分S化合价从+2价降到-2价或0价,有一部分从+2价升高到+6价(生成H2SO4),每消耗2 mol Na2S2O3,反应中转移电子(6-2)×2 mol=

8 mol,则每消耗15.8 g Na2S2O3,反应中转移电子××8=0.4 mol。

(3)①纵览整个流程可知,经过了酸浸以后,过滤,得到的滤液经历了除铁、除钙镁、除铜以后,再经过萃取操作,“水相C”中的主要溶质只剩下Na2SO4和NiSO4。

②实验室称取100 g原料(含钴11.80%),反萃取时得到浓度为0.036 mol·L-1的CoCl2溶液5 L,忽略损耗,则钴的产率=×100%=90%。

答案:(1)①12 h、90 ℃　SiO2(二氧化硅)

②2Co2O3+4H2SO4(浓)4CoSO4+4H2O+O2↑

(2)①2Na++6Fe3++4+12H2O

Na2Fe6(SO4)4(OH)12↓+12H+　②+2　0.4

(3)①NiSO4　②90%