高考物理考点 化工流程中物质的结晶(解析版)

考点化工流程中物质的结晶
化工流程中物质的结晶需根据晶体的组成、溶解度、水解、性质综合考虑，大多数采取蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等操作，但对不同的晶体有所改变。

1.（2019全国Ⅰ卷）硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。

为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下：
回答下列问题：
（4）步骤⑤的具体实验操作有______________，经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。

【答案】加热浓缩、冷却结晶、过滤（洗涤）
【解析】（4）为了出去可溶性的硫酸铵、铁离子等，需要经过的步骤为：加热浓缩、冷却结晶、过滤（洗涤）
2. （2018课标Ⅰ）醋酸亚铬[(CH3COO)2Cr·H2O］为砖红色晶体，难溶于冷水，易溶于酸，在气体分析中用作氧气吸收剂。

一般制备方法是先在封闭体系中利用金属锌作还原剂，将三价铬还原为二价铬；二价铬再与醋酸钠溶液作用即可制得醋酸亚铬。

实验装置如图所示，回答下列问题：
（3）打开K3，关闭K1和K2。

c中亮蓝色溶液流入d，其原因是________；d中析出砖红色沉淀，为使沉淀充分析出并分离，需采用的操作是___________、_________、洗涤、干燥。

（4）指出装置d可能存在的缺点______________。

【答案】（冰浴）冷却过滤
【解析】
（3）打开K3，关闭K1和K2，由于锌继续与盐酸反应生成氢气，导致c中压强增大，所以c中亮蓝色
溶液能流入d装置，与醋酸钠反应；根据题干信息可知醋酸亚铬难溶于水冷水，所以为使沉淀充分析出并分离，需要采取的操作是（冰浴）冷却、过滤、洗涤、干燥。

3．（2017课标Ⅰ）（14分）Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿（主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质）来制备，工艺流程如下：
回答下列问题：
（3）TiO2·x H2O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/℃30 35 40 45 50
TiO2·xH2O转化
92 95 97 93 88
率%
分析40℃时TiO2·x H2O转化率最高的原因__________________。

【答案】
（3）低于40℃，TiO2·x H2O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·x H2O转化反应速率下降
【解析】
（3）温度是影响速率的主要因素，但H2O2在高温下易分解、氨水易挥发，即原因是低于40℃，TiO2·x H2O 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·x H2O转化反应速率下降。

4．（2017课标Ⅲ）（15分）
重铬酸钾是一种重要的化工原料，一般由铬铁矿制备，铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3，还含有硅、铝等杂质。

制备流程如图所示：
回答下列问题：
（4）有关物质的溶解度如图所示。

向“滤液3”中加入适量KCl，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得到K2Cr2O7固体。

冷却到___________________（填标号）得到的K2Cr2O7固体产品最多。

a.80℃
b.60℃
c.40℃
d.10℃
步骤⑤的反应类型是___________________。

【答案】
（4）d 复分解反应
【解析】
（4）由图示可知，在10℃左右时，得到K2Cr2O7的固体最多，故答案为d；2KCl+Na2Cr2O7=K2Cr2O7↓+2NaCl的反应类型为复分解反应。

物质的结晶方法有：蒸发结晶、冷却结晶。

对溶解度受温度影响变化不大的物质，通常采用蒸发结晶；对溶解度受温度影响变化较大的物质，通常采用冷却结晶。

对物质溶解度受温度变化没有规律的物质，一般根据溶解度曲线图，选择适当的温度。

1、根据物质的组成
典例1利用熔融碱焙烧工艺可从铝热法生产金属铬所得铬渣(Al、Al2O3、Cr2O3等)中浸出铬和铝，实现铬和铝的再生利用。

其工作流程如下：
(5)过程II的目的是得到K2Cr2O7粗品，粗品再重结晶可制得纯净的K2Cr2O7。

不同温度下化合物的溶解度(g/100gH2O)
结合表中数据分析，过程II得到K2Cr2O7粗品的操作是：______，过滤得到K2Cr2O7粗品。

【答案】向滤液③中加入浓硫酸和KCl固体后，蒸发浓缩、降温结晶
【解析】
（5）过程Ⅱ的目的是得到K2Cr2O7粗品，粗品再重结晶可制得纯净的K2Cr2O7，根据物质的溶解度与温度的关系可知过程Ⅱ得到K2Cr2O7粗品的操作是：向滤液③中加入浓硫酸和KCl固体后，蒸发浓缩、降温结晶。

2、根据物质的溶解度
当物质的溶解度受温度升高先增大后减小时，就需要控制适当的温度进行结晶。

如果要从混合溶液中分离出溶解度小的晶体，就要趁热过滤。

典例2（2018届湖北省荆州中学高三4月月考）工业上常以铬铁矿(主要成分为亚铬酸亚铁FeCr2O4，还有Al2O3、SiO2等杂质)为主要原料生产红矾钠(Na2Cr2O7)，某实验小组模拟其流程如下图所示：
（5）下图是Na2Cr2O7·2H2O和Na2SO4的溶解度曲线，步骤④中获得固态副产品Na2SO4的实验操作方法为____________、___________。

【答案】加热浓缩趁热过滤
【解析】
(5). 据图可知，温度升高有利于硫酸钠结晶析出，同时可以防止Na2Cr2O7⋅2H2O结晶析出，所以获得副产品Na2SO4的实验操作方法为：将滤液2加热浓缩后趁热过滤，得副产品Na2SO4。

3、对于易水解的盐结晶时要控制结晶条件
典例3（2018届山西省高三第一次模拟考试）钴酸锂(LiCoO2)电池是一种应用广泛的新型电源，电池中含有少量的铝、铁、碳等单质。

实验室尝试对废旧钴酸锂电池回收再利用。

实验过程如下：
已知：①还原性：Cl->Co2+；
②Fe3+和C2O42-结合生成较稳定的[ Fe(C2O4)3]3-，在强酸性条件下分解重新生成Fe3+。

回答下列问题：
（7）从FeCl3溶液得到FeCl3·6H2O固体的操作关键是_________________________。

【答案】加入适量盐酸（或通入适量氯化氢气体）
【解析】
(7). 加热蒸发FeCl3溶液得FeCl3·6H2O固体时，会促进Fe3＋的水解，最终得到Fe(OH)3固体，因此在加热蒸发FeCl3溶液时，要加入适量的盐酸（或通入适量氯化氢气体）抑制Fe3＋的水解。

四、不同温度下结晶出不同的晶体
不同温度下结晶出不同的晶体管，根据需要控制不同的温度。

典例4（2018届河北省衡水中学高三第二十次模拟考试）辉铜矿主要成分Cu2S,软锰矿主要成分MnO2，它们都含有少量SiO2、Fe2O3等杂质。

工业上综合利用这两种矿物制备硫酸锰和碱式碳酸铜的主要工艺流程如下：
已知：
①MnO2能将金属硫化物中的硫氧化为单质硫；
②[Cu(NH3)4]SO4常温稳定，在热水中会分解生成NH3；
③MnSO4·H2O易溶于冷水，不溶于酒精;
④部分金属阳离子氢氧化物的（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 mol·L-1计算：当离子浓度小于
1.0×10-5时，认为该离子沉淀完全。

):
Ksp(Fe(OH)3)=1.0×10-38, Ksp(Cu(OH)2)=1.0×10-20，Ksp(Mn(OH)2)=4.0×10-14
（4）请根据如下图示，将“由碳酸锰经一系列操作获得MnSO4·H2O晶体，并测定纯度”的实验方案补充完整。

①将碳酸锰固体溶于稀硫酸获得硫酸锰溶液;
②加热溶液并控制温度>40℃，_________得到粗产品；
③_______，低温干燥，可得到较纯晶体。

④欲测定该品体的纯度，取14.00g晶体加蒸馏水配成100mL溶液，量取25.00mL,加足量标准BaCl2溶液，得到沉淀4.66g，则此样品的纯度为___(保留四位有效数字)。

某小组计算发现本组样品纯度大于100%(测定过程中产生的误差可忽略)，其可能原因有__(任写一种)。

【答案】蒸发结晶，趁热过滤用酒精洗涤产品2-3次
【解析】
(4)②由曲线图知当温度低于40℃时析出MnSO4·5H2O晶体，高于40℃时析出MnSO4·H2O晶体，因此硫酸锰溶液制备MnSO4·H2O的实验必须保证溶液温度高于40℃；然后通过蒸发结晶，趁热过滤，得到粗产品；
③为减少产品的损失，用酒精洗涤产品2-3次，低温干燥，可得到较纯晶体。

1．（2018届贵州省黔东南州高三下学期第二次模拟考试）氯酸镁[Mg(ClO3)2]常用作催熟剂、除草剂等，工业大规模生产前，实验室先按如下流程进行模拟制备少量Mg(ClO3)2·6H2O：
已知：①卤块主要成分为MgCl2·6H2O,含有MgSO4、FeCl2等杂质。

②几种化合物的溶解度(S)随温度(T)变化曲线如右图。

（4）加入NaClO3饱和溶液公有NaCl晶体析出，写出该反应的化学方程式：___________，请利用该反应，结合上图，制取Mg(ClO3)2·6H2O的实验步骤依次为：
①取样，加入NaClO3饱和溶液充分反应；②蒸发结晶；③___________；④冷却结晶；⑤过滤、洗涤，获得Mg(ClO3)2·6H2O晶体。

【答案】MgCl2+2NaClO3=Mg(ClO3)2+2NaCl↓ 趁热过滤
【解析】（4）加入NaClO3饱和溶液仅有NaCl晶体析出，则另外生成Mg(ClO3)2，反应的化学方程式为：MgCl2+2NaClO3=Mg(ClO3)2+2NaCl↓；根据物质的溶解度大小，溶液获得晶体的方法：蒸发结晶；趁热过滤；冷却结晶。

2．（辽宁省重点六校协作体2019届高三上学期期中考试）NiSO4·6H2O是一种绿色易溶于水的晶体，可由电镀废渣(除镍外，还含有铜、锌、铁等元素)为原料获得。

操作步骤如下：
（1）向滤液Ⅰ中加入FeS固体是为了生成难溶于酸的硫化物沉淀而除去Cu2+、Zn2+等杂质，则除去Zn2+的离子方程式为_________________________。

（2）根据对滤液Ⅱ的操作作答：
①在40℃左右向滤液Ⅱ中加入6%的H2O2，温度不能过高的原因是：_________；用离子方程式表示
H2O2的作用_________________②调滤液ⅡpH的目的是_____________。

③检验Fe3+是否除尽的操作和现象是_________________________________。

（3）滤液Ⅲ溶质的主要成分是NiSO4，加Na2CO3过滤后得到NiCO3固体，再加适量稀硫酸溶解又生成NiSO4，这两步操作的目的是______________________。

（4）得到的NiSO4溶液经蒸发浓缩、冷却结晶、过滤等一系列操作可得到NiSO4·6H2O晶体。

①在进行蒸发浓缩操作时，加热到_________(描述实验现象)时，则停止加热。

②为了提高产率，过滤后得到的母液要循环使用，则应该回流到流程中的___(填“a”、“b”、“c”或“d”)位置。

③如果得到产品的纯度不够，则应该进行_________操作。

（填序号）
A．蒸馏B．分液C．重结晶D．过滤
【答案】增大NiSO4的浓度，利于蒸发结晶(或富集NiSO4) 溶液表面形成晶体薄膜(或者有少量晶体析出) d C
【解析】
（3）NiSO4与Na2CO3反应生成NiCO3沉淀，而后过滤，再加适量稀硫酸溶解又生成NiSO4，这样可提高NiSO4的浓度，有利于蒸发结晶；
（4）①在进行蒸发浓缩操作时，当少量晶体析出时或溶液表面形成晶体薄膜，停止加热；故答案为：
溶液表面形成晶体薄膜或者有少量晶体析出；
②为了提高产率，过滤后得到的母液要循环使用，应该回流到流程中d中循环使用，故答案为：d；
③产品的纯度不够需要重新溶解、浓缩、结晶析出得到较纯净的晶体，实验操作为重结晶，答案选C。

3．（山东省曲阜市2018届高三上学期期中考试）孔雀石主要成分是Cu2(OH)2CO3,还含少量FeCO3及Si的化合物，实验室以孔雀石为原料制备硫酸铜晶体的步骤如下:
（4）步骤Ⅳ获得硫酸铜晶体，需要经过_____________冷却结晶、过滤等操作.
【答案】加热浓缩(或蒸发浓缩)
【解析】（4）步骤Ⅳ获得硫酸铜晶体，需要经过加热浓缩(或蒸发浓缩)、冷却结晶、过滤等操作。

4．（黑龙江省大庆中学2018届高三上学期期中考试）ClO2在常温下是一种黄绿色有刺激性气味的气体，其熔点为-59℃,沸点为11.0℃，易溶于水。

工业上用稍潮湿的KClO3和草酸(H2C2O4)在60℃时反应制得。

某学生拟用图1所示装置模拟工业制取并收集ClO2。

（3）反应后在装置C中可得NaClO2溶液。

已知I.NaClO2饱和溶液在温度低了38℃时析出晶体是NaClO2·3H2O,在温度高于38℃时析出晶体是NaClO2, 温度高于60℃时NaClO2分解生成NaClO3和NaCl；
Ⅱ.NaClO2的溶解度曲线如图2所示，请补充从NaClO2溶液中制得NaClO2晶体的操作步骤：
①减压，55℃蒸发结晶；②__________；③用38℃~60℃热水洗涤；④_____；得到成品。

【答案】趁热过滤低于60℃干燥
【解析】（3）①减压，55℃蒸发结晶；②趁热过滤；③用38℃~60℃热水洗涤；④低于60℃干燥；得到成品。

5．（2017届江苏省盐城中学高三下学期开学考试）高铁酸钾（K2FeO4）具有强氧化性，可作为水处理剂和高容量电池材料。

工业上生产高铁酸钾的工艺流程如下：
已知K2FeO4具有下列性质：①可溶于水，微溶于KOH溶液，难溶于异丙醇；②在0℃-5℃，强碱性溶液中比较稳定；③在Fe3+和Fe(OH)3催化作用下发生分解；④在酸性至弱碱性条件下，能与水反应生成
Fe(OH)3和O2
请完成下列填空：
（4）请补充完整由“反应液Ⅱ”得到K2FeO4晶体的实验步骤。

（可选用的试剂：NaOH溶液、KOH溶液、蒸馏水和异丙醇）
①向反应液Ⅱ中加入饱和________，在冰水浴中静置结晶后过滤，得K2FeO4粗产品；
②将K2FeO4粗产品溶解在___________中，再次在冰水浴中静置结晶后过滤，得到较纯净的K2FeO4；
③将K2FeO4晶体再用少量__________洗涤，低温真空干燥，得到高铁酸钾成品。

【答案】Cl2+2KOH=KCl+KClO+H2O为下一步反应提供反应物，与反应液中过量的氯气继续反应，生成更多的KClO2Fe(NO3)3＋3KClO＋10KOH=2K2FeO4＋6KNO3＋3KCl＋5H2O减少K2FeO4在过量Fe3+作用下的分解（或K2FeO4在低温、强碱性溶液中比较稳定等）KOH溶液KOH溶液异丙醇KNO3、KCl 【解析】流程中物质转化关系如下：
（4）此段为K2FeO4的分离提纯。

①考虑到静置过程中可能导致有更多的K2FeO4水解，所以应当加入KOH已知其水解，而加入NaOH会使结晶时产生钠盐沉淀。

答案：KOH溶液。

②粗产品再此溶解时也容易水解，同理应当加入KOH溶液。

答案：KOH溶液。

③由于K2FeO4可溶于水，为了避免溶解损失，所以采用异丙醇洗涤，因为K2FeO4难溶于异丙醇。

答案：异丙醇。

6．（2017届浙江省稽阳联谊学校高三3月选考）三草酸合-铁(III)酸钾K3 [Fe(C2O4)3]·3H2O (Mr=491)为绿色晶体，易溶于水，难溶于乙醇等有机溶剂。

110℃下可失去结晶水，230℃时即分解，是制备负载型活性铁催化剂的主要原料。

以硫酸亚铁铵为原料制备三草酸合铁(III)酸钾晶体的流程如下所示：
请回答下列问题：
(3)关于过程X的下列说法中不正确的是________________。

A.可采用冷却和向溶液中加入乙醇的方法促使晶体析出
B．为了快速得到较干燥的固体，可以采用抽滤的方法
C．洗涤晶体时，可先用少量水洗，再用乙醇洗
D．可用加热烘干的方法得到较干燥的晶体
【答案】D
【解析】（3）A、得到产物是带有结晶水的物质时，采用冷却的方法，三草酸合铁酸钾不溶于乙醇，使用乙醇，减少三草酸合铁酸钾溶解，使之析出，故说法正确；B、为了快速得到较干燥的固体，可以采用抽滤的方法，减少结晶水的损失，故说法正确；C、用乙醇洗涤，减少三草酸合铁酸钾的损失，同时乙醇易挥发，故说法正确；D、用加热的方法烘干，容易造成晶体失去结晶水，故说法错误。

7．（江西省南昌市第十中学2019届高三上学期第二次月考）钛矿工业中的硫酸酸性废水富含Ti、Fe 等元素，其综合利用如下：
已知：TiO2+易水解，只能存在于强酸性溶液中。

（3）操作a是蒸发浓缩、冷却结晶、______________________________________________。

【答案】过滤、洗涤、干燥
【解析】
（3）溶液中得到硫酸亚铁晶体的方法是蒸发浓缩、冷却结晶，过滤、洗涤、干燥。

8．（黑龙江省大庆实验中学2018届高三上学期期中考试）氯化铬晶体（CrCl3·6H2O）是一种重要的工业原料，工业上常用铬酸钠（Na2CrO4）来制备。

实验室以红矾钠（Na2Cr2O7）为原料制备CrCl3·6H2O的流程如下：
已知：①Cr 2O72－＋H2O2CrO42－＋2H+；
②CrCl3·6H2O不溶于乙醚，易溶于水、乙醇，易水解。

（4）请补充完整由过滤后得到的固体Cr（OH）3制备CrCl3·6H2O的实验方案：将过滤后所得的洁净固体_______________________，蒸发浓缩，__________，过滤，______________，低温干燥，得到CrCl3·6H2O（实验中可供选择的试剂：盐酸、硫酸、蒸馏水、乙醇、乙醚）。

【答案】完全溶解于过量的盐酸中冷却结晶用乙醚洗涤固体2~3次
【解析】
（4）Cr(OH)3溶于盐酸生成CrCl3，CrCl3溶液浓缩结晶析出CrCl3·6H2O晶体，由于CrCl3·6H2O不溶于乙醚，再用乙醚洗涤、干燥得到得到CrCl3·6H2O，所以由过滤后得到的固体Cr（OH）3制备CrCl3·6H2O的实验方案：将过滤后所得的洁净固体完全溶解于过量的盐酸中，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤，用乙醚洗涤固体2~3次，低温干燥，得到CrCl3·6H2O。

9．（四川省大教育联盟2017届毕业班第三次诊断性考试）用含SO2的硫酸工业尾气联合制备(NH4)2SO4和Mn x O y，其工艺流和如下：
（5）从MnSO4溶液中获得MnSO4·nH2O的方法是_____________。

【答案】重结晶
【解析】（5）从MnSO4溶液中获得MnSO4·nH2O的方法是重结晶。

11．（2018年宁德市普通高中毕业班5月理综化学质量检测试题）Fe@Fe2O3纳米线是一种新型铁基材料，在催化、生物医药、环境科学等领域具有广阔应用前景。

某研究小组以赤泥（铝土矿提取氧化铝过程中产生的固体废弃物，含SiO2、Fe2O3、Al2O3）为原料，设计下列流程制备Fe@Fe2O3纳米线并探究其在水处理中的应用。

回答下列问题：
（3）Fe@Fe2O3纳米线为壳层结构（核是Fe、壳是Fe2O3），壳是由中心铁核在合成过程中被氧化而形成。

①“合成”时滴加NaBH4溶液过程中伴有气泡产生，滤液Ⅱ中含B(OH)3，合成铁核的离子方程式为
____________________________。

②“合成”后，经过滤、______________、______________获得Fe@Fe2O3纳米线。

【答案】9H2O + 4Fe3+ + 3BH4－= 4Fe + 6H2↑+ 3B(OH)3+ 9H+洗涤烘干胶体有氧
【解析】（3）①“合成”时滴加NaBH4溶液过程中伴有气泡产生为氢气，滤液Ⅱ中含B(OH)3，合成铁核的离子方程式为9H2O + 4Fe3+ + 3BH4－= 4Fe + 6H2↑+ 3B(OH)3+ 9H+；
②“合成”后，经过滤、洗涤、烘干获得Fe@Fe2O3纳米线。