高考化学一轮复习（辽宁专版）考点过关导学讲义热点专题突破(二)无机化工流程题的突破方法

无机化工流程题的突破方法 (1)明确原料和产品(包括副产品)间的转化关系，从中得出将原料转化为产品 和除去原料中所含杂质的基本原理和所用的生产工艺。如下图所示： (2)分析流程中的每一步骤，从几个方面了解流程：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；④加入什么试 剂，得到什么中间产物等。抓住一个关键点：一切反应或操作都是为获得产品而 服务的。 (3)物质制备工艺都涉及物质的分离提纯，注意制备过程中所需的原料、条件 的控制(如溶液 pH 与沉淀、溶度积常数与沉淀等)以及物质分离方法的选择(如过 滤、萃取分液、蒸馏等)，尽可能写出主要的化学反应方程式或制备原理。若出现 工艺评价问题，从成本、环保、现实等角度考虑分析即可。 (2019·全国卷Ⅰ)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＋H2O H＋＋B(OH)－4 ，Ka＝5.81×10－ 10，可判断 H3BO3 是________；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)硼镁矿粉中加入(NH4)2SO4 溶液反应生成 NH3，氨气与碳酸氢铵溶 液反应的化学方程式为 NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3。 (2)硼镁矿中的 SiO2、Fe2O3、Al2O3 与(NH4)2SO4 溶液不反应，也不溶解，过 滤后形成滤渣 1。因为 KSCN 溶液遇 Fe3＋变为红色，所以 KSCN 溶液常用于 Fe3 ＋的检验。 (3)根据题目信息中 H3BO3 的电离方程式和 Ka 的数值可知 H3BO3 为一元弱酸。 在“过滤 2”前，将溶液 pH 调节至 3.5，目的是将溶液中的硼酸根离子转化为 H3BO3 沉淀析出。 (4)根据工艺流程中的原料进入情况及生成物情况可知，“沉镁”时加入的原 料为(NH4)2CO3 溶液、MgSO4 溶液，产物为 Mg(OH)2·MgCO3，因此反应的离子方 程式为 2Mg2＋＋3CO2－3 ＋2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋2HCO －3 或 2Mg2＋＋2CO2－3 ＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑。母液的主要成分为硫酸铵，可以返回到 “溶浸”工序循环使用。碱式碳酸镁热稳定性差，可以在高温焙烧的条件下制取 氧化镁，化学方程式为 Mg(OH)2·MgCO3===== 高温 2MgO＋CO2↑＋H2O。 答案 (1)NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3 (2)SiO2、Fe2O3、Al2O3 KSCN (3)一元弱酸 转化为 H3BO3，促进析出 (4)2Mg2 ＋ ＋ 3CO 2－3 ＋ 2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓ ＋ 2HCO －3 [ 或 2Mg2 ＋ ＋ 2CO2－3 ＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑] 溶浸 高温焙烧 1．(2019·全国卷Ⅲ)高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上 可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含 Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si 等元素)制备，工 艺如下图所示。回答下列问题： 相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的 pH 范围如下： 金属离子 Mn2＋ Fe2＋ Fe3＋ Al3＋ Mg2＋ Zn2＋ Ni2＋ 开始沉淀的 pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9 沉淀完全的 pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9 (1)“滤渣 1”含有 S 和________；写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的 化学方程式：________________________________________________。 (2)“氧化”中添加适量的 MnO2 的作用是______________________。 (3)“调 pH”除铁和铝，溶液的 pH 范围应调节为________～6 之间。 (4)“除杂 1”的目的是除去 Zn2＋和 Ni2＋，“滤渣 3”的主要成分是________。 (5)“除杂 2”的目的是生成 MgF2 沉淀除去 Mg2＋。若溶液酸度过高，Mg2＋ 沉淀不完全，原因是____________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________。 (6)写出“沉锰”的离子方程式：____________________________________。 (7) 层 状 镍 钴 锰 三 元 材 料 可 作 为 锂 离 子 电 池 正 极 材 料 ， 其 化 学 式 为 LiNixCoyMnzO2，其中 Ni、Co、Mn 的化合价分别为＋2、＋3、＋4。当 x＝y＝1 3时， z＝________。 答案 (1)SiO2(不溶性硅酸盐) MnO2 ＋MnS＋2H2SO4===2MnSO4 ＋S＋ 2H2O (2)将 Fe2＋氧化为 Fe3＋ (3)4.7 (4)NiS 和 ZnS (5)F－与 H＋结合形成弱电解质 HF，MgF2 Mg2＋＋2F－平衡向右移动 (6)Mn2＋＋2HCO－3 ===MnCO3↓＋CO2↑＋H2O (7)1 3 解析 (1)硫化锰矿及二氧化锰粉末中加入硫酸后，发生氧化还原反应：MnO2 ＋MnS＋2H2SO4===2MnSO4＋S＋2H2O，Si 在自然界中的存在形式主要为 SiO2 或硅酸盐，故滤渣 1 的主要成分为 S 和 SiO2(不溶性硅酸盐)。 (2)Fe2＋沉淀完全时，Mn2＋已经开始沉淀，故加入 MnO2 是为了将溶液中的 Fe2＋氧化为 Fe3＋，便于除去。 (3)除去 Fe3＋及 Al3＋，应使二者沉淀完全，故 pH 应大于 4.7。 (5)“除杂 1”步骤结束后，杂质金属阳离子只有 Mg2＋，加入 MnF2 形成 MgF2 沉淀而除去 Mg2＋，若溶液酸度过高，H＋浓度偏大，则 F－与 H＋结合形成 HF，使 MgF2 沉淀溶解平衡正向移动而重新溶解。 2．(2018·全国卷Ⅱ)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家，一种以闪锌 矿(ZnS，含有 SiO2 和少量 FeS、CdS、PbS 杂质)为原料制备金属锌的流程如图所 示： 相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1 mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的 pH 范围如下： 金属离子 Fe3＋ Fe2＋ Zn2＋ Cd2＋ 开始沉淀的 pH 1.5 6.3 6.2 7.4 沉淀完全的 pH 2.8 8.3 8.2 9.4 回答下列问题： (1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为____________________。 (2)滤渣 1 的主要成分除 SiO2 外还有______；氧化除杂工序中 ZnO 的作用是 __________，若不通入氧气，其后果是__________。 (3)溶液中的 Cd2＋ 可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方程式为 _____________________________________________________________________。 (4) 电 解 硫 酸 锌 溶 液 制 备 单 质 锌 时 ， 阴 极 的 电 极 反 应 式 为 __________________________；沉积锌后的电解液可返回______工序继续使用。 答案 (1)2ZnS＋3O2===== 焙烧 2ZnO＋2SO2 (2)PbSO4 调节溶液的 pH 无法除去杂质 Fe2＋ (3)Zn＋Cd2＋===Zn2＋＋Cd (4)Zn2＋＋2e－===Zn 溶浸 解析 (1)由于闪锌矿的主要成分是 ZnS，因此焙烧过程中主要反应的化学方 程式为 2ZnS＋3O2===== 焙烧 2ZnO＋2SO2。 (2)由于硫酸铅不溶于水，因此滤渣 1 的主要成分除 SiO2 外还有 PbSO4；要沉 淀铁离子，需要调节溶液的 pH，又因为不能引入新杂质，所以需要利用氧化锌调 节 pH，即氧化除杂工序中 ZnO 的作用是调节溶液的 pH。根据表中数据可知沉淀 亚铁离子的 pH 较大，所以若不通入氧气，其后果是无法除去杂质 Fe2＋。 (4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时，阴极发生得到电子的还原反应，因此阴极 是锌离子放电，则阴极的电极反应式为 Zn2＋＋2e－===Zn；阳极是氢氧根离子放电， 破坏了水的电离平衡，产生氢离子，所以电解后还有硫酸产生，因此沉积锌后的 电解液可返回溶浸工序继续使用。 课时作业 1．如图是工业利用菱镁矿 MgCO3(含杂质 Al2O3、FeCO3)制取镁的工艺流程。 回答有关问题： (1)菱镁矿送入酸浸池前需要粉碎，目的是__________________________。 (2)氧化池中通入氯气的目的是氧化____(填化学式)，工业上不选用硝酸作氧 化剂的原因是________________________和__________________________。 (3)沉淀混合物为____和____(填化学式)。 (4)利用熔融氯化镁制取金属镁，选用的方法是______(填序号)。 A．电解法 B．氧气还原法 C．碳还原法 D．分解法 答案 (1)提高酸浸速率 (2)Fe2＋(或 FeCl2) 会产生污染性气体 NOx 会引入杂质离子 NO－3 (3)Al(OH)3 Fe(OH)3 (4)A 2．(2019·广东揭阳高三期末)Ⅰ.明矾[KAl(SO4)2·12H2O]在生产、生活中有广 泛用途：饮用水的净化；造纸工业上作施胶剂；食品工业的发酵剂等。利用炼铝 厂的废料——铝灰(含 Al、Al2O3 及少量 SiO2 和 FeO·xFe2O3)可制备明矾。工艺流 程如下： 已知生成氢氧化物沉淀的 pH 如下表所示： Al(OH)3 Fe(OH)2 Fe(OH)3 开始沉淀 3.4 6.3 1.5 完全沉淀 4.7 8.3 2.8 回答下列问题： (1)明矾净水的原理是________________________(用离子方程式表示)。 (2)操作Ⅱ是________、__________、过滤、洗涤、干燥。 (3)检验滤液 A 中是否存在 Fe2＋的方法________________________________ _______________________________________________________(只用一种试剂)。 (4) 在 滤 液 A 中 加 入 高 锰 酸 钾 发 生 反 应 的 离 子 方 程 式 为 ： ________________________。 (5)调节 pH＝3 的目的是____________________，滤渣 2 含有的物质是 ______________。 Ⅱ.取一定量含有 Pb2＋、Cu2＋的工业废水，向其中滴加 Na2S 溶液，当 PbS 开 始沉淀时，溶液中cPb2＋ cCu2＋＝____(保留三位有效数字)。[已知 Ksp(PbS)＝3.4×10－ 28，Ksp(CuS)＝1.3×10－36] 答案 Ⅰ.(1)Al3＋＋3H2O Al(OH)3(胶体)＋3H＋ (2)蒸发浓缩 冷却结晶 (3)取适量滤液 A 于试管中，滴加铁氰化钾溶液，若产生蓝色沉淀，则说明滤 液 A 中存在 Fe2＋(也可用酸性高锰酸钾溶液检验) (4)5Fe2＋＋MnO－4 ＋8H＋===5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O (5)使 Fe3＋转化为 Fe(OH)3 沉淀 MnO2、Fe(OH)3 Ⅱ.2.62×108 解析 Ⅰ.(2)固体和液体分离需要用过滤操作，操作Ⅰ是过滤，操作Ⅱ是溶液 中得到晶体的方法，利用蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到明矾晶体。 (3)检验亚铁离子用高锰酸钾溶液或铁氰化钾溶液，滴入高锰酸钾溶液紫红色 褪去，或加入铁氰化钾溶液会出现蓝色沉淀。 (5)分析离子沉淀的 pH 范围，调节溶液 pH＝3，可以使 Fe3＋转化成 Fe(OH)3 沉淀，并防止 Al3＋沉淀；在 pH＝3、加热条件下，MnO －4 可与 Mn2＋反应生成 MnO2， 加入MnSO4发生反应，反应的离子方程式为：3Mn2＋＋2MnO－4 ＋2H2O===5MnO2↓ ＋4H＋；过滤得到难溶的二氧化锰和氢氧化铁沉淀。 3．NaClO2 是一种重要的杀菌消毒剂，也常用来漂白织物等，其一种生产工 艺如下： 回答下列问题： (1)NaClO2 中 Cl 的化合价为____。 (2)写出“反应”步骤中生成 ClO2 的化学方程式：______________________。 (3)“电解”所用食盐水由粗盐水精制而成，精制时，为除去 Mg2＋和 Ca2＋， 要加入的试剂分别为________、________。 (4)“尾气吸收”是吸收“电解”过程排出的少量 ClO2。此吸收反应中，氧化 剂与还原剂的物质的量之比为______，该反应中氧化产物是____。 (5)“有效氯含量”可用来衡量含氯消毒剂的消毒能力，其定义是：每克含氯 消毒剂的氧化能力相当于多少克 Cl2 的氧化能力。NaClO2 的有效氯含量为____。 (计算结果保留两位小数) 答案 (1)＋3 (2)2NaClO3＋SO2＋H2SO4===2ClO2＋2NaHSO4 (3)NaOH 溶液 Na2CO3 溶液 (4)2∶1 O2 (5)1.57 解析 (4)依题意，用含氢氧化钠的双氧水吸收尾气中的二氧化氯，发生反应： 2ClO2＋H2O2＋2OH－===2ClO－2 ＋O2＋2H2O，ClO2 作氧化剂，H2O2 作还原剂，故 氧化剂与还原剂的物质的量之比为 2∶1，氧化产物为 O2。 (5)氯气、亚氯酸钠的氧化能力就是得电子能力，得电子数相等时，氧化能力 相当。氯气、亚氯酸钠的最终还原产物为氯离子。根据：NaClO2――→得 4e－ Cl－， Cl2――→得 2e－ 2Cl－，得电子数相等时，存在：NaClO2～2Cl2，故亚氯酸钠的有效氯含 量为71×2 90.5 ≈1.57。 4．以铬铁矿(含 FeO·Cr2O3、Al2O3、SiO2 等)为原料制备二草酸铬钾的实验步 骤如下： 已知 NaFeO2 遇水强烈水解：NaFeO2＋2H2O===NaOH＋Fe(OH)3↓。 (1)“熔融”的装置如图，坩埚 W 的材质可以是____(填“铁”“陶瓷”或 “玻璃”)；FeO·Cr2O3 与 KClO3 及 Na2CO3 发生反应，生成 Fe2O3、KCl、Na2CrO4 和 CO2 的化学方程式为________________________________。 (2)熔融后的固体中含 Na2CrO4、Fe2O3、Na2SiO3、NaAlO2、KCl 及 NaFeO2 等，步骤①的具体操作为水浸，过滤，调 pH 为 7～8，加热煮沸半小时，趁热过 滤。第一次过滤滤渣中的主要成分为______________。 (3)步骤②需加入酸，则加入稀硫酸时发生反应的离子方程式主要为 ________________________________。 (4)由步骤③可知，溶解度：Na2Cr2O7____(填“>”“ (5)加热浓缩 冷却结晶 (6)研钵 (7)3 解析 (1)“熔融”时 Na2CO3 和 NaOH 均能与二氧化硅反应，而陶瓷和玻璃 中均含有二氧化硅，因此只能用铁坩埚；分析反应物及生成物中各元素化合价。 根 据 得 失 电 子 守 恒 、 原 子 守 恒 配 平 该 反 应 为 6FeO·Cr2O3 ＋ 7KClO3 ＋ 12Na2CO3===== △ 3Fe2O3＋7KCl＋12Na2CrO4＋12CO2↑。 (2)Fe2O3 难溶于水，而 NaFeO2 在水溶液中强烈水解生成 Fe(OH)3，其他物质 都易溶于水且不发生化学反应，因此水浸后过滤，滤渣的主要成分为 Fe2O3 和 Fe(OH)3。 (3)对比步骤②前后的物质可知，加入稀硫酸后 Na2CrO4 转化成了 Na2Cr2O7， 发生的反应主要为 2CrO2－4 ＋2H＋ Cr2O2－7 ＋H2O。 (5)根据溶解度曲线知，K2Cr2O7 的溶解度随温度变化较大，则从混合溶液中 得到 K2Cr2O7 晶体需经过加热浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。 5．(2019·百师联盟高三调研)钪(Sc)及其化合物在电子、宇航、超导等方面有 着广泛的应用。某工厂的钛白水解工业废酸中 Sc3＋浓度为 18 mg/L，还含有大量 的 TiO2＋、Fe3＋、H＋、SO 2－4 等。下图为从该工业废酸中提取 Sc2O3 的一种流程。 回答下列问题： (1)在钛白水解工业废酸中，加入双氧水是为了使 TiO2＋转化为难萃取的 [Ti(O2)(OH)(H2O)4]＋。[Ti(O2)(OH)(H2O)4]＋中 Ti 的化合价为＋4 价，其中非极性键 的数目为________。 (2)钪的萃取率(E%)与 O/A 值[萃取剂体积(O)和废酸液体积(A)之比]的关系如 下图，应选择的合适 O/A 值为____；温度对钪、钛的萃取率影响情况见下表，合 适的萃取温度为 10～15 ℃，其理由是__________________________。 T/℃ 5 10 15 25 30 钪的萃取率/% 91.3 96.0 97.1 97.3 98.0 钛的萃取率/% 0.94 0.95 2.10 3.01 4.20 (3)洗涤“油相”可除去大量的钛离子。洗涤水是用浓硫酸、双氧水和水按一 定比例混合而成。混合过程的实验操作为_________________________________。 (4)25 ℃时，用氨水调节滤液的 pH，当 pH＝3.5 时，滤渣Ⅱ的主要成分是____， 当 pH＝6 时，滤液中 Sc3＋的浓度为____。(Ksp[Fe(OH)3]＝2.6×10－39；Ksp[Sc(OH)3] ＝9.0×10－31) (5) 写 出 用 草 酸 (H2C2O4)“ 沉 钪 ” 得 到 Sc2(C2O4)3 的 离 子 方 程 式 ： __________________________。 (6)若从 1 m3 该工厂的钛白水解废酸中提取得到 24.4 g Sc2O3，则钪的提取率 为____。(保留三位有效数字) 答案 (1)1 (2)1∶4(或1∶5或1∶4～1∶5) 低于10 ℃时，钪的萃取率不够高；高于15 ℃ 时，钛的萃取率增大较多 (3)将浓硫酸沿烧杯内壁慢慢注入水中，并用玻璃棒不断搅拌，冷却后再慢慢 注入 H2O2，并不断搅拌 (4)Fe(OH)3 9.0×10－7 mol/L (5)2Sc3＋＋3H2C2O4===Sc2(C2O4)3↓＋6H＋ (6)0.884(或 88.4%) 解析 (1)[Ti(O2)(OH)(H2O)4]＋中 Ti 的化合价为＋4，OH－、H2O 均只含极性 键，O 2－2 含有 1 个非极性键，故[Ti(O2)(OH)(H2O)4]＋中非极性键的数目为 1。 (4)当 pH＝3.5 时，由于 Ksp[Fe(OH)3]