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压轴题型工业流程
课标I压轴题型 化工流程型实验题
【题型说明】
化工流程型实验题通常以元素化合物知识为依托,以反应原理、实验操作为考查重点。
重视实验技术在工业生产中的应用,意在引导考生关注化学的真实性和应用性,体现了能力立意和化学知识的应用,是今后高考命题的方向和热点,综合性强,但难度不大,能够很好地考查学生分析、解决问题的能力,培养实验技能。
【知识归纳】
常见的化工术语
关键词
释义
研磨、雾化
将块状或颗粒状的物质磨成粉末或将液体雾化,增大反应物接触面积,以加快反应速率或使反应更充分
灼烧(煅烧)
使固体在高温下充分分解、氧化或改变结构等。
如煅烧石灰石、高岭土、硫铁矿
浸取
向固体中加入适当溶剂或溶液,使其中可溶性的物质溶解,包括水浸取、酸溶、碱溶、醇溶等
浸出率
溶解的物质占原物质的百分含量
酸浸
在酸性溶液中使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去的过程
水浸
与水充分反应或溶解
过滤
固体与液体的分离
滴定
可用于某种未知浓度物质的物质的量浓度的测定
蒸发结晶
蒸发溶剂,使溶液由不饱和变为饱和,继续蒸发,过剩的溶质就会以晶体析出
蒸发浓缩
蒸发除去部分溶剂,提高溶液的浓度
水洗
用水洗去可溶性杂质,类似的还有酸洗、醇洗等
酸作用
溶解、去氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解、除去杂质离子等
碱作用
去油污、去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅,调节pH、促进水解(沉淀)
【思维建模】
1.化工流程的模式及规律
模式:
规律:
主线主产品、分支副产品、回头为循环。
2.常见设问角度
(1)化学方程式或离子方程式的书写
(2)物质成分的判断
(3)除杂试剂的选择
(4)物质分离提纯操作
(5)反应条件的控制
(6)产率的计算、纯度的计算
【知识归纳】
常见的操作与答题角度
常见的操作
答题要考虑的角度
加过量试剂
使反应完全进行(或增大转化率、产率)等
加氧化剂
氧化某物质,生成目标产物或除去某些离子
判断能否加其他物质
要考虑是否引入杂质(或影响产物的纯度)等
分离、提纯
过滤、蒸发、萃取、分液、蒸馏等常规操作
提高原子利用率
绿色化学(经济性或环保性)
在空气中或在其他气体中进行的反应或操作
要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或能否达到隔绝空气,防氧化、水解、潮解等目的
判断沉淀是否洗涤干净
取最后洗涤液少量,检验其中是否还有某种离子存在等
控制溶液的pH
①调节溶液的酸碱性,抑制水解(或使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀)
②“酸作用”还可除去氧化物(膜)
③“碱作用”还可除去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅等
④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)
控制温度(常用水浴、冰浴或油浴)
①防止副反应的发生
②使化学平衡移动;控制化学反应的方向
③控制固体的溶解与结晶(如趁热过滤能防止某物质降温时析出)
④控制反应速率;使催化剂达到最大活性
⑤升温:
促进溶液中的气体逸出,使某物质达到沸点挥发
⑥加热煮沸:
促进水解,聚沉后利于过滤分离
⑦趁热过滤:
减少因降温而析出的溶质的量
⑧降温:
防止物质高温分解或挥发;降温(或减压)可以减少能源成本,降低对设备的要求
洗涤晶体
①水洗:
通常是为了除去晶体表面水溶性的杂质
②“冰水洗涤”:
能洗去晶体表面的杂质离子,且防止晶体在洗涤过程中的溶解损耗
③用特定有机试剂清洗晶体:
洗去晶体表面的杂质,降低晶体的溶解度、有利于析出,减少损耗等
表面处理
用水洗除去表面可溶性杂质,金属晶体可用机械法(打磨)或化学法除去表面氧化物、提高光洁度等
【思维建模】 解答无机化工流程试题的程序
1.审题步骤
2.解题思路
→
→
→
化工流程与物质制备
[题型示例]
【示例1】(2014·安徽理综,27)LiPF6是锂离子电池中广泛应用的电解质。
某工厂用LiF、PCl5为原料,低温反应制备LiPF6,其流程如下:
已知:
HCl的沸点是-85.0℃,HF的沸点是19.5℃。
(1)第①步反应中无水HF的作用是______、______。
反应设备不能用玻璃材质的原因是________(用化学方程式表示)。
无水HF有腐蚀性和毒性,工厂安全手册提示:
如果不小心将HF沾到皮肤上,可立即用2%的________溶液冲洗。
(2)该流程需在无水条件下进行,第③步反应中PF5极易水解,其产物为两种酸,写出PF5水解的化学方程式__________________________________。
(3)第④步分离采用的方法是____________________________________;
第⑤步分离尾气中的HF、HCl采用的方法是____________________。
(4)LiPF6产品中通常混有少量LiF。
取样品wg,测得Li的物质的量为nmol,则该样品中LiPF6的物质的量为________mol(用含w、n的代数式表示)。
思路点拨
(1)LiF(s)+HF(l)===LiHF2(aq),即生成的LiHF2溶于无水液态HF中得饱和LiHF2溶液,故无水HF的作用是作反应物和溶剂;由于玻璃材质的主要成分是SiO2,SiO2能和HF反应,故反应设备不能用玻璃材质;由于NaHCO3溶液呈碱性能中和HF,且对皮肤腐蚀性小,故可用2%的NaHCO3溶液冲洗沾到皮肤上的HF。
(2)PF5中P、F元素的化合价分别为+5价和-1价,故水解产物分别为H3PO4、HF,其水解反应的化学方程式为PF5+4H2O===H3PO4+5HF。
(3)第④步分离的是固态LiPF6和液态HF,则采用的方法是过滤;由于HCl和HF的沸点差别较大,故分离尾气中HF和HCl应采用冷凝液化的方法(HF冷凝为液体时,HCl仍为气体)。
(4)设wg样品中含有LiPF6、LiF的物质的量分别为x、y,则有:
解得:
x=
mol。
答案
(1)反应物 溶剂 SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O NaHCO3
(2)PF5+4H2O===H3PO4+5HF
(3)过滤 冷凝(4)
[题组精练]
1.(2013·全国新课标Ⅰ,27)锂离子电池的应用很广,其正极材料可再生利用。
某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑和铝箔等。
充电时,该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi++xe-===LixC6。
现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)。
回答下列问题:
(1)LiCoO2中,Co元素的化合价为__________。
(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式____________________。
(3)“酸浸”一般在80℃下进行,写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式________________________;可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液,但缺点是______________________。
(4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式______________________。
(5)充放电过程中,发生LiCoO2与Li1-xCoO2之间的转化,写出放电时电池反应方程式________________________。
(6)上述工艺中,“放电处理”有利于锂在正极的回收,其原因是______________________________。
在整个回收工艺中,可回收到的金属化合物有____________________(填化学式)。
解析 (4)沉钴这一步,反应物为CoSO4、NH4HCO3,生成物中有CoCO3必然产生大量H+,而HCO
与H+又不能大量共存,继续反应产生CO2。
此题容易忽视HCO
与H+的继续反应,澄清了这些问题,再利用质量守恒定律,就能顺利写出化学方程式。
(5)依据充电时正极的物质变化,可写出放电时的电极反应:
Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2
依据负极充电的电极反应,写出放电时电极反应
LixC6-xe-===6C+xLi+,以上两个电极反应相加,即得总方程式。
(6)“放电处理”的一个重要目的是“回收锂”,Li+要沉积正极。
解答这一问题的关键是Li+怎样沉积在正极上的。
放电时,离子运动的方向是“正向正,负向负”。
从流程的最终产物上很容易找到回收的金属化合物:
Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4。
答案
(1)+3
(2)2Al+2OH-+2H2O===2AlO
+3H2↑
(3)2LiCoO2+3H2SO4+H2O2
Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O 2H2O2
2H2O+O2↑ 有氯气生成污染较大
(4)CoSO4+2NH4HCO3===CoCO3↓+(NH4)2SO4+H2O+CO2↑
(5)Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+6C
(6)Li+从负极中脱出,经由电解质向正极移动并进入正极材料中 Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4
2.(2014·太原模拟)某工厂利用褐煤烟灰(主要成分为碳、二氧化锗,还有少量氧化铝和二氧化硅)制取纯GeO2的主要流程如下:
已知:
GeO2是一种难溶于水的偏弱酸性的两性氧化物,GeCl4的沸点是83.1℃。
(1)写出二氧化锗与碳酸钠焙烧时发生反应的化学方程式:
_________。
(2)用水浸取焙烧物长达2h的目的是_____________________________。
(3)“酸化”至溶液中盐酸浓度为5.3mol·L-1时有利于生成四氯化锗,写出该反应的化学方程式:
_____________________________________。
(4)若滤液“酸化”时酸度不够,溶液会出现明显的浑浊,原因是________。
(5)操作“X”的名称为________。
(6)四氯化锗与高纯水反应的化学方程式为__________________。
解析
(1)GeO2是一种难溶于水的偏弱酸性的两性氧化物,与Na2CO3焙烧时发生类似于SiO2与Na2CO3焙烧时发生的反应,即Na2CO3+GeO2
Na2GeO3+CO2↑。
(2)延长浸泡时间可以使生成的Na2GeO3充分溶于水。
(3)用盐酸酸化到呈强酸性时有利于生成四氯化锗,是因为锗酸呈两性,它与过量盐酸反应才能生成四氯化锗,反应的化学方程式为Na2GeO3+6HCl===GeCl4+2NaCl+3H2O。
(4)锗酸钠溶液用盐酸酸化的过程可看作先生成锗酸,然后再与盐酸反应生成四氯化锗,所以盐酸不足量时会有锗酸(或GeO2·nH2O)生成而出现浑浊。
(5)由题意可知,对酸化后的溶液进行蒸馏可使四氯化锗蒸出,再冷凝而得到四氯化锗。
(6)四氯化锗可以水解而得到锗酸,再受热就分解成了二氧化锗的水合物,进一步提高温度即可得到二氧化锗,反应的化学方程式为GeCl4+(2+n)H2O===GeO2·nH2O+4HCl。
答案
(1)Na2CO3+GeO2
Na2GeO3+CO2↑
(2)为了提高含锗化合物的浸出率
(3)Na2GeO3+6HCl===GeCl4+2NaCl+3H2O(4)生成了H2GeO3(或GeO2或GeO2·nH2O)沉淀
(5)蒸馏(6)GeCl4+(2+n)H2O===GeO2·nH2O+4HCl
化工流程与物质的分离
[题型示例]
【示例2】(2014·山东理综,32)工业上用重铬酸钠(Na2Cr2O7)结晶后的母液(含少量杂质Fe3+)生产重铬酸钾(K2Cr2O7)。
工艺流程及相关物质溶解度曲线如图:
(1)由Na2Cr2O7生产K2Cr2O7的化学方程式为______________________。
通过冷却结晶析出大量K2Cr2O7的原因是___________________。
(2)向Na2Cr2O7母液中加碱液调pH的目的是______________________。
(3)固体A主要为________________(填化学式),固体B主要为______________(填化学式)。
(4)用热水洗涤固体A,回收的洗涤液转移到母液________(填“Ⅰ”、“Ⅱ”或“Ⅲ”)中,既能提高产率又可使能耗最低。
思路点拨
(1)
(2)Na2Cr2O7结晶后的母液中含有Fe3+,加碱液调节pH=4的目的就是促使Fe3+水解转化为Fe(OH)3沉淀除去,则过滤后得到纯的Na2Cr2O7(母液Ⅰ);加入KCl并加热至沸腾,冷却结晶得到K2Cr2O7,反应的化学方程式为Na2Cr2O7+2KCl===2NaCl+K2Cr2O7;通过冷却结晶析出大量K2Cr2O7的原因是低温下K2Cr2O7溶解度远小于其他组分,且随着温度的降低,K2Cr2O7的溶解度明显减小。
(3)母液Ⅱ中含有K2Cr2O7和NaCl,因为高温下K2Cr2O7的溶解度大;则蒸发浓缩得到的固体A是NaCl;母液Ⅲ中的主要成分是K2Cr2O7,冷却结晶得到固体B是K2Cr2O7。
(4)固体A(NaCl)表面附着K2Cr2O7,由于K2Cr2O7在热水中的溶解度较大而NaCl较小,故固体A用热水洗涤,洗涤液中含有K2Cr2O7,故应将洗涤液转移到母液Ⅱ中,这样,既能提高产率(回收了K2Cr2O7),又可使能耗降低。
答案
(1)Na2Cr2O7+2KCl===2NaCl+K2Cr2O7 低温下K2Cr2O7溶解度远小于其他组分,随温度的降低,K2Cr2O7溶解度明显减小(合理即可)
(2)除去Fe3+ (3)NaCl K2Cr2O7 (4)Ⅱ
[题组精练]
1.(2013·全国新课标Ⅱ,27)氧化锌为白色粉末,可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。
纯化工业级氧化锌[含有Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)等杂质]的流程如下:
工业ZnO
浸出液
滤液
滤液
滤饼
ZnO
提示:
在本实验条件下,Ni(Ⅱ)不能被氧化;高锰酸钾的还原产物是MnO2。
回答下列问题:
(1)反应②中除掉的杂质离子是__________,发生反应的离子方程式为__________;在加高锰酸钾溶液前,若pH较低,对除杂的影响是________________。
(2)反应③的反应类型为____________,过滤得到的滤渣中,除了过量的锌外还有______________。
(3)反应④形成的沉淀要用水洗,检验沉淀是否洗涤干净的方法是________________。
(4)反应④中产物的成分可能是ZnCO3·xZn(OH)2,取干燥后的滤饼11.2g,煅烧后可得到产品8.1g,则x等于__________。
解析 本题实际是利用化学方法对ZnO提纯,就是要除去Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)。
综合流程信息、提示信息,显然除去Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)是在②步进行的,Fe2+被KMnO4氧化为Fe3+,在pH=5的条件下,Fe3+生成Fe(OH)3沉淀,Mn2+被KMnO4氧化生成MnO2沉淀。
除Ni(Ⅱ)是在③步进行,发生了Ni(Ⅱ)与Zn的置换反应。
④、⑤是将Zn2+(aq)转化为沉淀,重新生成ZnO。
(3)中检验沉淀是否洗涤干净,就是检验洗液中是否还含有滤液中的某种离子,显然检验SO
比较合理。
(4)中写出分解化学方程式,列比例式计算即可,
ZnCO3·xZn(OH)2
(x+1)ZnO+CO2↑+xH2O
125+99x 81(x+1)
11.2 8.1
解得x=1。
答案
(1)Fe2+和Mn2+ MnO
+3Fe2++7H2O===3Fe(OH)3↓+MnO2↓+5H+、2MnO
+3Mn2++2H2O===5MnO2↓+4H+ 铁离子和锰离子不能生成沉淀,从而无法除去铁和锰杂质
(2)置换反应 镍
(3)取少量的最后一次水洗液于试管中,滴入1~2滴稀硝酸,再滴入硝酸钡溶液,若无白色沉淀生成,则说明沉淀已经洗涤干净 (4)1
2.(2014·郑州一模)平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末,其中含有SiO2、Fe2O3、CeO2以及其他少量可溶于稀酸的物质。
二氧化铈(CeO2)是一种重要的稀土氧化物,某课题组以此粉末为原料回收铈,设计实验流程如下:
(1)第①步反应的化学方程式是_________________,
检验滤渣A是否洗净的方法是______________________。
(2)第②步反应的离子方程式是________________________。
(3)萃取是分离稀土元素的常用方法,化合物TBP作为萃取剂能将铈离子从水溶液中萃取出来。
实验室进行萃取操作需要用到分液漏斗,分液漏斗在使用前需要进行的操作是________;TBP是一种磷酸三丁酯,产物应该从分液漏斗的________(填“上口倒出”或“下口倒出”)。
(4)取上述流程中得到的Ce(OH)4产品0.5g,加硫酸溶解后,用0.1000mol·L-1FeSO4标准溶液滴定终点时(铈被还原为Ce3+),消耗20.00mL标准溶液,该产品中Ce(OH)4的质量分数为________(保留小数点后一位)。
解析
(1)根据实验流程图知:
第①步加稀盐酸主要是溶解Fe2O3,反应的化学方程式是Fe2O3+6HCl===2FeCl3+3H2O;检验滤渣A是否洗净实质就是检验洗涤液有没有Fe3+,用KSCN溶液,看是否出现红色;
(2)第②步加稀硫酸和H2O2的目的,就是把CeO2还原为Ce3+,而H2O2被氧化为O2,反应的离子方程式是2CeO2+H2O2+6H+===2Ce3++O2↑+4H2O;(3)萃取、分液操作需要用到分液漏斗,而分液漏斗在使用前需检查是否漏液;萃取剂使用的是磷酸三丁酯,它的密度小于水的密度,应该从分液漏斗的上口倒出;(4)依题意得
Ce(OH)4 ~ FeSO4
0.002mol 0.1000mol·L-1×0.02L
所以m[Ce(OH)4]=0.002mol×208g·mol-1=0.416g,产品中Ce(OH)4的质量分数为
×100%=83.2%。
答案
(1)Fe2O3+6HCl===2FeCl3+3H2O 取最后一次洗涤液,滴加KSCN溶液,若不出现红色,则已洗净,反之,未洗净
(2)2CeO2+H2O2+6H+===2Ce3++O2↑+4H2O
(3)检查是否漏液 上口倒出(4)83.2%
(时间:
45分钟)
1.(2014·江苏,16)烟气脱硫能有效减少二氧化硫的排放。
实验室用粉煤灰(主要含Al2O3、SiO2等)制备碱式硫酸铝[Al2(SO4)x(OH)6-2x]溶液,并用于烟气脱硫研究。
(1)酸浸时反应的化学方程式为_____________________________________;
滤渣Ⅰ的主要成分为___________________________(填化学式)。
(2)加CaCO3调节溶液的pH至3.6,其目的是中和溶液中的酸,并使Al2(SO4)3转化为Al2(SO4)x(OH)6-2x。
滤渣Ⅱ的主要成分为________(填化学式);若溶液的pH偏高,将会导致溶液中铝元素的含量降低,其原因是____________________________(用离子方程式表示)。
(3)上述流程中经完全热分解放出的SO2量总是小于吸收的SO2量,其主要原因是________________________________;与吸收SO2前的溶液相比,热分解后循环利用的溶液的pH将________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
解析
(1)酸浸时粉煤灰中Al2O3与H2SO4反应生成可溶性Al2(SO4)3,SiO2不与H2SO4反应,过滤,滤渣Ⅰ是SiO2。
(2)加CaCO3调节pH,CaCO3与H+反应生成Ca2+,Ca2+遇SO
生成CaSO4沉淀(滤渣Ⅱ)。
若溶液pH偏高,即碱性偏强,则部分Al3+生成沉淀Al(OH)3而导致溶液中铝元素的含量降低。
其反应可以理解为:
反应物有Al2(SO4)3、CaCO3,Al3+水解生成Al(OH)3,溶液显酸性,促进CaCO3溶解生成Ca2+和CO2,Ca2+再和溶液中的SO
结合成CaSO4沉淀,由此可写出其反应的离子方程式。
(3)溶液中的SO
具有较强的还原性,易被氧化生成SO
从而导致完全分解放出的SO2量小于吸收的SO2量。
碱式硫酸铝溶液吸收SO2,可以理解为2OH-+SO2===SO
+H2O,相当于碱式硫酸铝转化为Al2(SO4)3和Al2(SO3)3,加热又促进了Al2(SO3)3的水解(SO
与Al3+水解相互促进)放出SO2,进而又转化为碱式硫酸铝,但在加热的过程中由于部分SO
被氧化成SO
留在溶液,代替了碱式硫酸铝中OH-,所以使碱式硫酸铝中x不断增大,则c(OH-)减小,pH减小。
答案
(1)Al2O3+3H2SO4===Al2(SO4)3+3H2O SiO2
(2)CaSO4 3CaCO3+2Al3++3SO
+3H2O===2Al(OH)3+3CaSO4+3CO2↑
(3)溶液中的部分SO
被氧化成SO
减小
2.(2014·广东理综,32)石墨在材料领域有重要应用,某初级石墨中含SiO2(7.8%)、Al2O3(5.1%)、Fe2O3(3.1%)和MgO(0.5%)等杂质,设计的提纯与综合利用工艺如下:
(注:
SiCl4的沸点为57.6℃,金属氯化物的沸点均高于150℃)
(1)向反应器中通入Cl2前,需通一段时间N2,主要目的是
____________________________________________________。
(2)高温反应后,石墨中氧化物杂质均转变为相应的氯化物,气体Ⅰ中的碳氧化物主要为____________________,由气体Ⅱ中某物质得到水玻璃的化学反应方程式为________________________。
(3)步骤①为:
搅拌、________、所得溶液Ⅳ中的阴离子有________。
(4)由溶液Ⅳ生成沉淀Ⅴ的总反应的离子方程式为________________________,100kg初级石墨最多可获得Ⅴ的质量为________kg。
(5)石墨可用于自然水体中铜件的电化学防腐,完成如图防腐示意图,并作相应标注。
解析
(1)向反应器中通入Cl2前,通一段时间N2的主要目的是排净反应器中的空气,作为保护气,防止石墨在高温下被氧化。
(2)初级石墨中的氧化物杂质主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3和MgO,经高温反应后,均转变为相应的氯化物,则氧元素与碳(过量)在高温下结合为CO,故气体Ⅰ中的碳氧化物主要为CO,80℃冷凝气体Ⅰ,由于SiCl4的沸点为57.6℃,金属氯化物的沸点均高于150℃,故气体Ⅱ为SiCl4。
SiCl4与NaOH溶液反应得到Na2SiO3、NaCl和H2O,其化学方程方式为SiCl4+6NaOH===Na2SiO3+4NaCl+3H2O。
(3)由
(2)知,固体Ⅲ为AlCl3、FeCl3、MgCl2,加入过量NaOH溶液,Al3+转变为AlO
,而Fe3+、Mg2+转化为Fe(OH)3、Mg(OH)2沉淀,故步骤①为:
搅拌、过滤,所得溶液Ⅳ中的阴离子有AlO
、OH-、Cl-。
(4)溶液Ⅳ中加入乙酸乙酯,消耗了OH-,促进AlO
的水解,最终转化为Al(OH)3沉淀,反应的离子方程式为CH3COOCH2CH3+AlO
+2H2O
Al(OH)3↓+CH3COO-+CH3CH2OH,100kg石墨中含Al2O3为5.1kg,根据原子守恒Al(
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