化学工艺流程

【答案】
(1)100 ℃、2 h,90 ℃、5 h
－ (2)FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl2 4 ＋2H2O
(3)低于 40 ℃，TiO2· xH2O 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 TiO2· xH2O 转化反应速率下降 (4)4
(2)“酸浸”后，钛主要以 TiOCl4
2－ ⑤
形式存在，写出相应反应的离子方程式
_________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 (3)TiO2· xH2O 沉淀与双氧水、氨水反应 40 min 所得实验结果如下表所示： 温度/℃ TiO2· xH2O 转化率/% 30 92 35 95 40 97 45 93 50 88
xH2O转化率最高⑥的原因__________________________。 分析40 ℃时TiO2· (4)Li2 Ti5O15 中 Ti 的化合价为＋4，其中过氧键的数目为________。
(5) 若 “ 滤 液 ②” 中
c(Mg2
＋
) ＝ 0.02
mol· L
－
1
，
加入双氧水和磷酸设溶液体积增加1倍 ⑦ ，使 Fe3 ＋ 恰好沉淀完全即溶液中 c(Fe3 ＋ ) ＝ 1.0×10 － 5 mol· L － 1 ， 此 时 是 否 有 Mg3(PO4)2 沉 淀 生 成 ？ ________列式计算⑦。FePO4、Mg3(PO4)2 的 Ksp 分别为 1.3×10－22、1.0× 10－24。 (6)写出“高温煅烧②”中由 FePO4 制备 LiFePO4 的化学方程式__________ ________________________________________________________________。
典例剖析示范
制备型工艺流程题
(2017· 全国Ⅰ卷)Li4Ti5O12和LiFePO4 都是锂离子电池的电极材料， 可
①
利用 钛铁矿 主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质 ② 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④，所采用的实验条件为______________。
2．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。
(2)分段分析法：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)的工业流程题，用分段分析法更容易找到解题的切入点。 (3)交叉分析法： 有些化工生产选用多组原材料， 先合成一种或几种中间产品， 再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品，这种题适合用交 叉分析法。就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理划分成 几条生产流水线，然后上下交叉分析。
题型特点解读· 1．化学工艺流程题由题引、题干和题设三部分构成。 (1)制备型题型特点
2．此类试题集综合性、真实性、开放性于一体，包含必要的操作名称、化工术 语或文字说明，考查知识面广、综合性强、思维容量大。题干的呈现形式多 为流程图、表格和图像；设问角度一般为操作措施、物质成分、化学反应、 条件控制的原因和产率计算等，能力考查侧重于获取信息的能力、分析问题 的能力、语言表达能力和计算能力；涉及到的化学知识有基本理论、元素化 合物和实验基础知识等。试题陌生度高，文字信息量大，综合性强，对能力 要求高。
(4)设 Li2Ti5O15 中过氧键的数目为 x，则非过氧键氧原子数目为 15－2x，根据 化合物中各元素正、负化合价代数和为零可得： 2x ＋ 2×(15 － 2x) ＝ 1×2 ＋ 4×5，解得：x＝4。 (5) 根据 Ksp(FePO4) ＝ 1.3×10 － 22 及 Fe3 ＋ 恰好完全沉淀时溶液中 c(Fe3 ＋ ) ＝
－22 1.3 × 10 － －1 －17 －1 1.0×10－5 mol· L－1，可得 c(PO3 ) ＝ mol· L ＝ 1.3 × 10 mol· L 。 －5 4 1.0×10
0.02 － 3 c(Mg )＝ 2 mol· L－1＝0.01 mol· L－1，则 c3(Mg2＋)· c2(PO3 ) ＝ 0.01 ×(1.3× 4
①明确目的： 从废钒催化剂中回收 V2O5， 即除杂质提纯 V2O5。 ②明确原料：明确废钒催化剂的主要成分和杂质。 ③明确流程：该过程涉及酸浸、氧化、中和、过滤、淋洗、煅烧等，应明确 其含义。 核心反应：硫酸酸浸、KClO3 氧化、高温煅烧等。
④挖掘信息：V2O5 转化为 VO2 ，反应前后钒元素的化合价不变，发生非氧化 还原反应， VO2 变为 VO2 是氧化还原反应。
＋ ＋
＋
⑤信息理解应用：可逆反应，平衡移动。 ⑥考查细节：前面加入了 KClO3 和 KOH。 ⑦关注细节：NH4VO3“煅烧”生成 V2O5，钒元素的化合价没有发生变化。
＋ 【解析】 (1)“酸浸”时 V2O5 转化为 VO＋ ， V O 、 VO 2 2 5 2 中 V 元素均显＋5 价，
V 元素化合价不变，则该反应是非氧化还原反应，结合溶液的酸碱性及元素 守恒写出离子方程式： V2O5＋2H ===2VO2 ＋H2O。 废钒催化剂中除 SiO2 外， 其余物质均与稀硫酸反应生成易溶于水的盐，则“废渣 1”的主要成分是二氧 化硅。 (2)“氧化”中使 3 mol 的 VO2＋变为 VO＋ 转移电子的物质的量为 3 mol× (5 2， －4)＝3 mol；氧化剂 KClO3 被还原为 KCl，Cl 元素由＋5 价降低到－1 价， 3 mol 根据电子守恒可知，需要 KClO3 的物质的量至少为 6 ＝0.5 mol。(3)由图 可知，加入 KOH 中和后产生废渣 2，而“中和”作用之一是使钒以 V4O4 12 形式
＋ ＋ ④ 2＋ (2)“氧化”中欲使 3 mol 的VO 变为VO 2 ，则需要氧化剂 KClO3 至少为 ＋④
________mol。
－ (3)“中和”作用之一是使钒以 V4O4 12 形式存在于溶液中。“废渣 2”中含有
________。
4－ 4ROH ＋ V O (4)“ 离 子 交 换 ” 和 “ 洗 脱 ” 可 简 单 表 示 为 ： 4 12
(3)“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或是否影 响产品的纯度。 (4)“在空气中或在其他气体中”——主要考虑 O2、H2O、CO2 或其他气体是否参与反应或达到防氧化、防水解、防潮解等目ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。 (5)“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试 管中，向其中滴加某试剂，以检验其中的某种离子。 (6)“检验某物质的设计方案”——通常取少量某液体于试管 中，加入另一试剂产生某现象，然后得出结论。
物质
V2O5
V2O4
K2SO4 22～28
SiO2 60～65
Fe2O3 Al2O3 1～2 <1
质量分数/% 2.2～2.9 2.8～3.1
以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：
③
回答下列问题： (1)“酸浸”时V2O5转化为VO2 ， 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________。
－22 1.3 × 10 － (5)Fe3＋恰好沉淀完全时，c(PO3 L－1＝1.3×10－17 mol· L－1， －5 mol· 4 )＝ 1.0×10 － －17 2 －40 3 c3(Mg2＋)· c2(PO3 ) 值为 0.01 × (1.3 × 10 ) ≈ 1.7 × 10 <Ksp[Mg3(PO4)2] ， 因此 4
离子交换 － R4V4O12＋4OH ROH为强碱性阴离子交换树脂⑤。为了提高洗脱效 洗脱 率，淋洗液应该呈________性(填“酸”、“碱”或“中”)。
⑥ (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⑦发生反应的化学 方程式___________________________________________________________ ________________________________________________________________。
2＋
10－17)2＝1.69×10－40≈1.7×10－40<Ksp[Mg3(PO4)2] ＝1.0×10－24， 因此不会生成 Mg3(PO4)2 沉淀。
(6)煅烧过程中，Fe 元素化合价由＋3 降至＋2，被还原，则 H2C2O4 应作还原 高温 剂， 其氧化产物为 CO2， 反应的化学方程式为 2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4===== 2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O。
①明确目的：生产目的是制备 Li4Ti5O12 和 LiFePO4。 ②明确原料：明确主要成分和杂质。 ③核心反应：盐酸酸浸、双氧水氧化(氨水、磷酸)、高温煅烧等。 ④识图像：坐标含义，关键点。从关键点分析条件为“100 ℃、2h 或 90 ℃、 5h”。 ⑤信息理解：从生成物分析钛的化合价变化，进而确定反应情况。 ⑥表格信息：结合物质性质，温度过高 H2O2 及 NH3· H2O 分解。 ⑦关注细节：溶液体积加倍，离子浓度变为原来的一半；列式计算，不能直 接写出计算结果。
【解析】 (1)根据图像分析，当铁的浸出率为 70%时，所采用的实验条件为 100 ℃、2 h,90 ℃、5 h。 (2)“ 酸浸 ” 时，发生反应的离子方程式为 FeTiO3 ＋ 4H ＋ ＋ 4Cl － ===Fe2 ＋ ＋
－ TiOCl2 4 ＋2H2O。
(3)当温度低于 40 ℃时，H2O2、NH3· H2O 不易分解，但是温度低，反应速率 慢，TiO2· xH2O 转化率低；当温度高于 40 ℃时，H2O2 分解，NH3 逸出，反应 物浓度降低，反应速率下降，TiO2· xH2O 的转化率低。
3．化工流程题中表述性词汇的作用 化工生产流程和综合实验题中经常会出现一些表述性词语， 这 些表述性词语就是隐性信息，它可以暗示我们所应考虑的答题角 度。常见的有： (1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发，物质的不稳定 性和物质的转化等。 (2)“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、产率 等。
不会生成 Mg3(PO4)2 沉淀 高温 (6)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4=====2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O
提纯型工艺流程题
(2016· 全国Ⅲ卷)以硅藻土为载体的五氧化二钒 (V2O5)是接触法生产 从废钒催化剂中回收V2O5①既避免污染环境又有利于 硫酸的催化剂。
② 资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为 ：
■解题策略指导· 1．解题思路 (1)粗读题干，挖掘图示 关注关键字，弄懂流程图，但不必将每一种物质都推出，只需问什么推什么。 如制备类无机化工题，可粗读试题，知道题目制取什么、大致流程和有什么 提示等。
(2)携带问题，精读信息 抓三方面：一是主干，二是流程图示，三是设置问题。读主干抓住关键字、 词；读流程图，重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。 (3)跳跃思维，规范答题 答题时应注意前后问题往往没有“相关性”，即前一问未答出，不会影响后 面答题。
(7)“控制 pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质 等。 (8)“用某些有机试剂清洗”——常考虑降低物质溶解度有利 于析出、减少损耗和提高利用率等。
4．破题方法 (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)试 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 本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺，然后再结合题设的问题，逐一 推敲解答。