化学工艺流程题类型及其解题策略

化学工艺流程题类型及其解题策略
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:
化学工艺流程题类型及其解题策略
【方法总述】
1．无机化工流程题的特点
无机工业流程题能够以真实的工业生产过程为背景,体现能力立意的命题为指导思想，能够综合考查学生各方面的基础知识及将已有知识灵活应用在生产实际中解决问题的能力。

所以这类题成为近年来高考的必考题型。

这类题常呈现的形式:流程图、表格、图像等。

这类题常围绕以下几个知识点进行设问:
(1)化学反应速率与平衡理论的运用
反应物颗粒大小：反应速率、原料的利用率等。

温度:反应速率、物质的稳定性、物质的结晶等。

(2)化学式的判断。

(3)氧化还原反应化学方程式或离子方程式的书写。

（4）通过调节溶液的pＨ达到分离除杂的目的。

(5）化学反应的能量变化。

（6）化学实验室的常用仪器的用途和使用方法。

（7）化学实验基本操作:除杂、分离、检验、洗涤、干燥等。

（８)元素守恒、得失电子守恒等化学观念。

（9）根据物质之间的反应关系进行的简单计算。

(10）“流程”中的物质成分的判断，物质的转化和循环，资源的回收和利用。

（11)环境保护与绿色化学评价（是否污染环境、原子经济性、节约资源、安全性、资源再生）。

２.工业生产流程主线
规律:主线主产品、分支副产品、回头为循环。

核心考点：物质的分离操作、除杂试剂的选择、生产条件的控制。

【解题策略】
1.解答无机化工流程试题的程序
基本步骤:
(1)首先要通过阅读文字说明,清楚试题背景是工业生产还是实验室研究，准确抓住工艺（实验)的目的是什么？还提供了哪些信息(原料成分，含量，产品成分,从用途能看出什么性质)？
(2）然后整体浏览一下流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段。

（3)分析流程中的每一步骤，从以下几个方面了解流程:
①反应物是什么；
②发生了什么反应;
③该反应造成了什么后果，对制造产品有什么作用；抓住一个关键点:一切反应或操作都是为获得产品而服务。

（4)从设问中获取信息,使下一步的深入分析重点更明确。

解题思路：
明确整个流程及每一部分的目的——→仔细分析每步反应发生的条件以及得到的产物的物理或化学性质——→结合基础理论与实际问题思考——→注意答题的模式与要点。

２.熟悉工业流程常见的操作与名词
工业流程题目在流程上一般分为3个过程：
原料处理——→＼ｘ(分离提纯)——→错误!
（1）原材料的预处理阶段的常见考点与常见名词
①加快反应速率:
研磨——将固体粉碎,增大表面积，加快反应速率；
②溶解浸出:通常用酸或碱溶。

如用硫酸、盐酸或氢氧化钠溶液等。

浸出——固体加水(酸或碱）溶解得到离子。

【浸出率:固体溶解后,离子在溶液中的含量的多少（更多转化)】
水浸——与水接触反应或溶解。

水洗——除去水溶性杂质。

酸浸（或酸洗）——在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去的溶解过程。

碱浸(或碱洗)——除去油污或氧化膜;溶解铝和二氧化硅
③灼烧(焙烧或煅烧）——使一些物质在高温下氧化、分解。

（２)反应条件的控制的常见考点
①加热——加快反应速率；加速固体溶解;平衡向吸热方向移动。

如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物，则要注意对温度的控制。

如：侯德榜制碱中的NaHC Ｏ3;还有如Ｈ2Ｏ2、Ｃa(HCO3）2、KMnO４、AgＮO3、HNO３(浓)等物质。

②降温（冰水中）——防止某物质在高温时会溶解（或分解);使化学反应速率下降;为使化学平衡向放热的方向移动。

③控温——温度过高，物质会分解或杂质会挥发;
温度过低，物质无法挥发或者反应。

④趁热过滤——防止某物质降温时会析出晶体。

⑤洗涤(冰水、热水)——洗去晶体表面附着或包夹的可溶性离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。

⑥蒸发时的酸性氛围——抑制金属阳离子的水解:如从溶液中析出FeCl3、ＡlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCｌ的气流中加热，以防其水解。

、
⑦pＨ值的控制
控制溶液的酸碱性使其中的某些金属离子形成氢氧化物沉淀。

例如：已知Fｅ(OＨ）3、Fe(OH）２、Ｍn(OH)２开始沉淀和沉淀完全时的pＨ如下表所示。

物质开始沉淀沉淀完全
Fe（OＨ）３２.7 3.7
Fe（OH）２7.6 9.6
Mn(OＨ)28.3 9．8
若要除去Mn２+溶液中含有的Ｆｅ2＋,应该怎样做?
提示：先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+，再调溶液的pH到3.7。

b.调节pH所需的物质一般应满足两点：能与H+反应,使溶液pＨ值增大；不引入新杂质。

例如:若要除去Cu２+溶液中混有的Fｅ3＋,可加入CuO、Cu(OH）2、Ｃu2(OＨ）２CO3等物质来调节溶液的pＨ。

（3）产品的分离提纯阶段的常见考点
①过滤——基本操作:一贴二低三靠;
②结晶:
Ⅰ、当溶液为单一溶质时：
所得晶体不带结晶水,如ＮaCl、KNO3等:蒸发结晶;ﻭ所得晶体带结晶水，如胆矾等：将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。

Ⅱ、当溶液为两种以上溶质时：
要得到溶解度受温度影响小的溶质：蒸发浓缩结晶，趁热过滤。

如除去NａCl中少量的ＫＮO3。

要得到溶解度受温度影响大的溶质:蒸发浓缩、冷却结晶，过滤。

如除去KNO3中少量的NaＣl。

③重结晶——蒸发浓缩、冷却结晶,过滤(重复操作)。

④沉淀的洗涤——向过滤器中的滤渣加入蒸馏水至浸没滤渣，待水自然流下后，重复以上操作２～3次。

⑤灼烧(焙烧或煅烧)——固体在坩埚中进行加热:
⑥干燥——在干燥器隔绝空气的条件下低温烘干。

⑦萃取、分液——在分液漏斗中进行操作。

下层液体从下口放出;上层液体从上口倒出。

⑧重复操作2~3次——保证实验的准确性。

（4）其他常见考点
①化学方程式的书写:离子型氧化还原反应。

②实验仪器。

③计算:守恒法、关系式法等。

3．注重答案的文字叙述规范
（1）洗涤沉淀：向过滤器中的滤渣加入蒸馏水至浸没滤渣,待水自然流下后,重复以上操作２~3次。

检验沉淀是否洗涤干净:取最后一次洗涤滤出液,滴加AｇNＯ3溶液和稀硝酸（检验氯离子)或者BaCl2溶液(检验硫酸根离子）,若无沉淀产生，则证明已洗涤干净;反之，则未洗涤干净。

（2）从溶液中得到晶体:蒸发浓缩——→冷却结晶——→过滤——→洗涤——→干燥。

(3)在写某一步骤是为了除杂时,应该注明“是为了除去某某杂质”，只写“除杂”等笼统的回答是不给分的。

(4）化学用语的书写要规范(分子式书写;化学方程式的书写;完成符号或可逆符号;沉淀、气体、固态、水溶液等符号);评价或比较要全面（反应物、产物种类,目标产物的分离和提纯;反应条件、仪器、设备、步骤）。

例题１工业上由黄铜矿（主要成分ＣｕFeS2）冶炼铜的主要流程如下:
(1)气体A中的大气污染物可选用下列试剂中的吸收。

ａ．浓H2SO4b．稀ＨＮO３c．NａOH溶液ｄ.氨水
(2）用稀Ｈ2SO4浸泡熔渣B，取少量所得溶液，滴加KSCN溶液后呈红色，说明溶液中存在
（填离子符号），检验溶液中还存在Fｅ2＋的方法是
（注明试剂、现象）。

(3)由泡铜冶炼粗铜的化学反应方程式为。

(4）以ＣｕSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Aｇ、Pt、Au等杂质)的电解精炼,下列说法正确的是。

ａ．电能全部转化为化学能
b．粗铜接电源正极,发生氧化反应
c．溶液中Cu2＋向阳极移动
d．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Ａu等金属
（5)利用反应2Ｃu+O2+２H2ＳO４＝==2CuSO４+２H2Ｏ可制备ＣｕSO4，若将该反应设计为原电池,其正极电极反应式为。

变式题2四氯化钛(TiCｌ4）是制取航天航空工业材料——钛合金的重要原料。

由钛铁矿(主要成为是FｅＴiＯ)制备TiCl4等产品的一种工艺流程示意如下:
3
回答下列问题：
（1）往①中加入铁屑至浸出液显紫色,此时溶液仍呈强酸性。

该过程中有如下反应发生: 2Fe3++Fｅ=＝=3Fe2＋
２TiO２+(无色）+Fe＋4Ｈ+=＝=２Ti3+(紫色)+Fe２+＋２H２O
Ｔi３+（紫色）+Fe3＋+Ｈ２O===TiO2+(无色)+Ｆｅ2＋+2Ｈ+
加入铁屑的作用是。

(２）在②→③工艺过程中需要控制条件以形成TｉO2·n H2O溶胶,该溶胶的分散质颗粒直径大小在范围。

（３)若把③中制得的固体TｉO2·nＨ2O用酸清洗除去其中的Fe（OH）３杂质,还可以制得钛白粉。

已知2５℃时,K sp［Ｆe（ＯH）3]=2.79×1０-３9,该温度下反应Fe(OH)３＋3H+Fe3＋＋3H2O的平衡常数
K= 。

(4）已知：TｉO2(s）＋2Cl2(ｇ)=＝=TiCｌ4(ｌ)＋O２(g）ΔH=+140kＪ·ｍoｌ-1
2C(s)+O２（g)===2CO(g) ΔH=-22１kJ·mｏl－1
写出④中TiO2和焦炭、氯气反应生成TiCl4和CO气体的热化学方程式:。

（５)上述工艺具有成本低、可用低品位矿物为原料等优点。

依据绿色化学理念,该工艺流程中存在的不足之处是（只要求写出一项)。

3某工厂废水中含5.0０×１0－3mol·Ｌ－1的Ｃｒ２O72－，其毒性较大。

某研究性学习小组为了变废为宝,将废水处理得到磁性材料Cr0.５Fe1.5FeO４(Fe的化合价依次为 +3,＋2)，设计了如下实验流程：
（１）第①步反应的离子方程式是。

（2）第②步中用ｐH试纸测定溶液pH的操作是。

（３）第②步过滤得到的滤渣中主要成分除Ｃr(ＯH）３外，还有。

(4)欲使1L该废水中的Cｒ2O７2-完全转化为Cr0．5Ｆｅ１.５ＦｅO４，理论上需要加入g FeSO4·7Ｈ２O。

4锂离子电池的广泛应用使回收利用锂资源成为重要课题。

某研究性小组对废旧锂离子电池正极材料(LiMn2O4、碳粉等涂覆在铝箔上)进行资源回收研究，设计实验流程如下：
（１)第②步反应得到的沉淀X的化学式为。

（２)第③步反应的离子方程式是。

(3)第④步反应后,过滤Ｌi2CO3所需的玻璃仪器有。

若过滤时发现滤液中有少量浑浊，从实验操作的角度给出两种可能的原因: 、。

（４)若废旧锂离子电池正极材料含LiMn2O４的质量为1８.1g,第③步反应中加入2０．0mL ３.0ｍol·Ｌ-１的H
２SO4溶液，假定正极材料中的锂经反应③和④完全转化为Ｌi2ＣO3，则至少有
g Nａ２ＣO３参加了反应。

5.MnO2是一种重要的无机功能材料,粗MnO２的提纯是工业生产的重要环节。

某研究性学习小组设计了将粗MnO2(含有较多的MｎO和ＭnCO３）样品转化为纯MnＯ2的实验,其流程如下：
(1）第①步加稀H2ＳＯ４时,粗MｎＯ2样品中的(写出化学式)转化为可溶性物质。

(２）第②步反应的离子方程式是□＋□ＣｌO3-+□——→□MnO2↓+□Cl2↑+□。

（3）第③步蒸发操作必需的仪器有铁架台（含铁圈)、、
、,已知蒸发得到的固体中有NaClO3和NaOH,则一定还含有(写化学式）。

(4）若粗MnＯ2样品的质量1２.６9g，第①步反应后，经过滤得到8.7g MnO２，并收集到0.224ＬＣO2(标准状况下），则在第②步反应中，至少需要mol NaClO3。

6.二氧化铈(CeO2）是一种重要的稀土氧化物。

平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末（含ＳiO ２·Fe2O3·CeＯ2以及其他少量可溶于稀酸的物质)。

某课题组以此粉末为原料回收铈,设计实验流程如下：
(1）洗涤滤渣A的目的是为了除去（填离子符号),检验该离子是否洗涤的方法是。

(2)第②步反应的离子方程式是,滤渣Ｂ的主要成分是。

（3）萃取是分离稀土元素的常用方法,已知化合物TBＰ作为萃取剂能将铈离子从水溶液中萃取出来，TBP (填“能”或“不能”)与水互溶。

实验室进行萃取操作时用到的主要玻璃仪器有、烧杯、玻璃棒、量筒等。

（4）取上述流程中得到的Cｅ(OH）4产品０.536 g,加硫酸溶解后，用０.10０0 mol·L－1FeＳO4标准溶液滴定终点时（铈被还原为Ce３＋），消耗25.０0 ｍL标准溶液,该产品中Cｅ(ＯH）4的质量分数为。

【例题解析】（1）焙烧时冰铜中的硫元素转化为SＯ２,所以气体Ａ为SO2，应用碱液吸收ＳO2。

(2)滴加KSCN溶液变红色说明溶液中含有Fe３＋,用KMnＯ4溶液检验含有Ｆｅ3+的溶液中的Fe2+。

(３）高温下泡铜中的Cu2O与Ａl发生置换反应。

(4）电解精炼粗铜，粗铜接电源的正极,作阳极，发生氧化反应，ｂ对；电解时电解质溶液中的阳离子(Cｕ2＋）向阴极移动,ｃ错；阳极上比Ｃu活泼的Ａl、Zn优先失电子变成离子进入电解质溶液，而比Cu不活泼的Ａg、Pt、Au则不能参与电极反应,以单质的形式沉积在阳极下方形成阳极泥,ｄ对；电解时有一小部分电能转化为热能，ａ错。

(5)电池反应的总方程式为:2Cu+O2＋４H+＝==2Cｕ2＋＋2H２O，负极电极反应式为: ２Ｃｕ-4ｅ-＝==2Cu2＋,将电池反应的总方程式与负极电极反应式相减得正极电极反应式: 4H++O2＋4e-==＝2Ｈ２O。

【变式题解析】（1)该流程副产物之一为绿矾,加入铁屑后可以将Ｆe3+还原为Fe2＋，而且还可以与ＴiO2+反应生成还原性更强的Tｉ3+,起到保护Fe2+不被氧化的作用。

（2）胶体分散质微粒直径在1 nｍ~100 ｎm之间。

(3)根据氢氧化铁的平衡常数表达式:Ｋsp[Fe（OH)３］=c(Fe３+)·c３(OＨ-），而该反应的K的表达式为K＝
c(Fe3+) c3(H＋),又由于水的离子积ＫW=1×10-14，从而推得Ｋ=
错误!，即Ｋ=错误!＝２.79×1０3。

（４）根据盖斯定律,由反应1加反应2可得热化学方程式:
ＴｉO2(s）+2Ｃｌ2(g)＋2C(ｓ)==＝TiCl4(l)＋２CO（g)ΔH＝－８1 kJ·mｏｌ-１
(5）由反应流程图可以看出，该过程产生了废渣、废液和废气,违背绿色化学理念。

3【解析】第２７题是一道类似于无机推断的信息框图题。

第（1）题：“含Cｒ２O72-的酸性废水”经过第①步加ＦeSO4·7H２Ｏ后得到“含Cｒ３+、Fe2+、Fe３+的溶液”，根据信息很容易就能写出该步反应的离子方程式：Cr2O72－+６Fe2＋＋14H＋===7H2O+2Cr3++6Fe3+。

第(2）题：使用pH试纸测定溶液pH值是中学生必须掌握的基本操作之一,这个问题很简单。

即：将一小块pH试纸放在洁净干燥的表面皿上，用玻璃棒蘸取少量待测液点在pH试纸的中部，待试纸变色后再与标准比色卡对照读数。

第（３)题：“第②步加NaOＨ溶液至ｐH为9，过滤”，因这一步之前得到的是“Cr3＋、Fe２＋、Ｆe3＋的溶液”,故滤渣的主要成分是Cｒ（OＨ）3、Fe(OH)3、Fe(ＯH)2。

第(4）题：根据组成Ｃｒ0.5Ｆｅ１.5FeO4，知Cr元素与Fe元素物质的量比为０.5︰(1．5＋1）=１︰5，可列式计算5×10－3 mol·L－1×１L×2×5×278g·moｌ－1＝１３．9g。

４【解析】本题通过锂离子电池的回收综合考察了离子方程式的书写、过滤仪器的选择、浑浊原因的分析、氧化还原反应的有关计算。

(1)根据信息可知正极材料上有铝箔,因此与过量的NａＯH溶液反应生成ＮaＡlＯ2，NaAlO2与CO２反应生成Al（ＯH）３。

（2）根据信息可知反应物有LiＭｎ2Ｏ4、H２ＳO4和O2，而产物有MnO2、Ｌｉ2SO４和Ｈ2O,因此其离子方程式为4LiMn2O４＋4H＋+O2 ＝== ４Li＋＋８ＭnO2+2H2O。

(３）过滤所用到的玻璃仪器主要有漏斗、玻璃棒和烧杯。

过滤时发现滤液中有少量浑浊,从实验操作的角度分析可能的原因有:漏斗液面高于滤纸的边缘,使液体沿着滤纸与漏斗的缝隙流出；也可能是玻璃棒下端未靠在三层滤纸处而靠在单层处，导致滤纸破损。

(4)根据信息可知,生成的Ｌi2SO4和过量的Ｈ2ＳO4都和Na2CO3反应,最终生成了Nａ2ＳO4,因此根据原子守恒Na2ＣO3的物质的量与Na2SO4、Ｈ2ＳO４的物质的量都相等,即n(Na2ＣO3)=n(H2SＯ４)=0．０2Ｌ×3.0mol·L －1=0.06mol，故至少参加反应的Ｎａ
２CO3有0.０6moｌ×１０6 g·mｏl-1 = 6.3６ｇ。

5【解析】本题通过ＭnO２的提纯综合考察了常见的基本实验操作、氧化还原方程式的配平、产物的判断及有关计算。

（1)M ｎＯ2不溶于硫酸，所以加稀硫酸时样品中的ＭnO 和Mn ＣO 3分别和硫酸反应生成可溶性的MnS Ｏ4，所以答案是粗MnO 2样品中的MnO 和MnCO ３转化为可溶性物质；
(2)MnSO ４要转化为M ｎO 2,需失去电子，故需要加入N ａCl Ｏ3做氧化剂，依据得失电子守恒可以配平，所以反应的化学方程式是:５Mn ＳO 4+2NaC ｌO ３＋４H 2O ＝== 5M ｎO 2＋Cl ２↑＋Ｎａ2SO 4＋4H ２SO 4，因此反应的离子方程式是：５Ｍn 2++2C ｌＯ3-+4H 2O =＝＝ 5Mn Ｏ２+Cl 2↑+8H ＋。

（3）第③属于蒸发，所以所需的仪器有铁架台(含铁圈）、酒精灯、蒸发皿、玻璃棒;C ｌ２通入热的NaO Ｈ溶液中一定发生氧化还原反应,且氯气既做氧化剂又做还原剂,NaCl Ｏ3属于氧化产物,因此一定有还原产物NaC ｌ。

(4)由题意知样品中的MnO 和ＭnCO ３质量为12.6９g －８．7ｇ=3.9９ｇ。

由方程式H 2SO 4＋MnCO ３ ＝=＝ Mn ＳO 4＋Ｈ２O ＋ＣO ２↑可知ＭnCO 3的物质的量为0.0１ｍｏl ，质量为１15g ·ｍｏl －1×０．01m ｏl=1．１５ｇ,所以MnO 的质量为3.99g －1.15g=2.84g ，其物质的量为 mol
04.071g/mol 2.84g =，因此与稀硫酸反应时共生成ＭnS Ｏ４的物质的０.0５mo ｌ， 根据方程式
5MnSO 4+2NaClO 3+４H ２O ＝=＝ 5M ｎO ２+Cl ２↑+N ａ２S Ｏ4+4Ｈ2S Ｏ４,可计算出需要NaClO 3的物质的量为0．02 m ｏl 。

7【解析】
（1)根据题目中的流程可以看出，固体+液体反应新物质+饱和溶液，所以无水ＨF 的作用是反应物和溶剂;玻璃的主要成分中含有二氧化硅,能和ＨF 发生反应，反应的方程式为：S ｉO 2+4HF = SiF 4↑+2H ２O ；ＨF 属于弱酸，必须用弱碱性溶液来除去(比如2%的NaHCO 3溶液)。

(2)根据题目中的信息“PF ５极易水解，其产物为两种酸”,则根据元素组成可知，两种酸分别是Ｈ3PO 4和ＨF ，所以反应的方程式为ＰＦ５＋4Ｈ２O =＝ H ３ＰO 4+5HF 。

（3）第④步分离的是固体（LiPF 4（s)）和液体(HF （l)），所以采用过滤的方法；分离尾气中ＨF 、HCl,可以利用二者沸点的差异(HF 分子之间存在氢键）进行分离，所以采用冷凝法。

(４)根据守恒可以得到;设L ｉPF ６为x mo ｌ,LiF 为y m ｏl;根据Li 守恒，有x ＋y = n ，根据质量守恒有1５２x ＋26y = w,解得ｘ =26126w n -mol 。