2019届一轮复习人教版无机化工流程题的解题指导学案

2019届一轮复习人教版无机化工流程题的解题指导学案

综合课2　无机化工流程题的解题指导 化学工艺流程题是将化工生产中的生产流程用框图形式表示出来，并根据生产流程中有关的化学知识步步设问，是无机框图的创新。它以现代工业生产为基础，与化工生产成本、产品提纯、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、分离提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用，要求考生依据流程图分析原理，紧扣信息，抓住关键、准确答题。这类试题具有较强的实用性和综合性，是近几年高考化学命题的常考题型。‎ ‎1．流程图模式 规律：箭头指出是原料，箭头指向是产物。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。‎ 一、操作方法解读 类型一　物质制备类化工流程题 ‎1．对原料进行预处理的常用方法及其作用 ‎(1)研磨——减小固体的颗粒度，增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率。‎ ‎(2)水浸——与水接触反应或溶解。‎ ‎(3)酸浸——与酸接触反应或溶解，使可溶性金属进入溶液，不溶物通过过滤除去。‎ ‎(4)灼烧——除去可燃性杂质或使原料初步转化，如从海带中提取碘时的灼烧就是为了除去可燃性杂质。‎ ‎(5)煅烧——改变结构，使一些物质能溶解。并使一些杂质在高温下氧化、分解，如煅烧高岭土。‎ ‎2．常用的控制反应条件的方法 ‎(1)调节溶液的pH。常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点：‎ ‎①能与H＋反应，使溶液pH增大；‎ ‎②不引入新杂质。‎ 例如：若要除去Cu2＋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，不可加入NaOH溶液、氨水等。‎ ‎(2)控制温度。根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动。‎ ‎(3)趁热过滤。防止某物质降温时会析出。‎ ‎(4)冰水洗涤。洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗。‎ 类型二　提纯类化工流程题 ‎1．明确常用的提纯方法 ‎(1)水溶法：除去可溶性杂质。‎ ‎(2)酸溶法：除去碱性杂质。‎ ‎(3)碱溶法：除去酸性杂质。‎ ‎(4)氧化剂或还原剂法：除去还原性或氧化性杂质。‎ ‎(5)加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。‎ ‎(6)调节溶液的pH法：如除去酸性溶液中的Fe3＋等。‎ ‎2．明确常用的分离方法 ‎(1)过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法。‎ ‎(2)萃取和分液：利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。‎ ‎(3)蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。‎ ‎(4)冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。‎ ‎(5)蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇或甘油。‎ ‎(6)冷却法：利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离平衡混合气体中的氨气。‎ 二、答题模板 ‎1．除杂：除去……中的……‎ ‎2．干燥：除去……气体中的水蒸气，防止……‎ ‎3．增大原料浸出率(离子在溶液中的含量多少)的措施：搅拌、升高温度、延长浸出时间、增大气体的流速(浓度、压强)，增大气液或固液接触面积。‎ ‎4．加热的目的：加快反应速率或促进平衡向某个方向(一般是有利于生成物生成的方向)移动。‎ ‎5．温度不高于××℃的原因，适当加快反应速率，但温度过高会造成挥发(如浓硝酸)、分解(如H2O2、NH4HCO3)、氧化(如Na2SO3)或促进水解(如AlCl3)等，影响产品的生成。‎ ‎6．从滤液中提取一般晶体(溶解度随温度升高而增大)的方法：蒸发浓缩(至少有晶膜出现)、冷却结晶、过滤、洗涤(冰水洗、热水洗、乙醇洗)、干燥。‎ ‎7．从滤液中提取溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体的方法：蒸发浓缩、趁热过滤，如果温度下降，杂质也会以晶体的形式析出来、洗涤、干燥。‎ ‎8．控制某反应的pH使某些金属离子以氢氧化物的形式沉淀，调节pH所用试剂为主要元素对应的氧化物、碳酸盐、碱，以避免引入新的杂质；pH分离时的范围确定：范围过小导致某离子沉淀不完全，范围过大导致主要离子开始沉淀。‎ ‎9．减压蒸馏(减压蒸发)的原因：减小压强，使液体沸点降低，防止(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3)受热分解、挥发。‎ ‎10．检验溶液中离子是否沉淀完全的方法：将溶液静置一段时间后，向上层清液中滴入沉淀剂，若无沉淀生成，则离子沉淀完全。‎ ‎11．洗涤沉淀：沿玻璃棒往漏斗中加蒸馏水至液面浸没沉淀，待水自然流下后，重复操作2～3次。‎ ‎12．检验沉淀是否洗涤干净的方法：取少量最后一次的洗涤液于试管中，向其中滴入某试剂，若未出现特征反应现象，则沉淀洗涤干净。‎ ‎13．洗涤沉淀的目的：除掉附着在沉淀表面的可溶性杂质。‎ ‎14．冰水洗涤的目的：洗去晶体表面的杂质离子并降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗。‎ ‎15．乙醇洗涤的目的：降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，得到较干燥的产物。‎ ‎16．蒸发、反应时的气体氛围：抑制某离子的水解，如加热蒸发AlCl3溶液时为获得AlCl3需在HCl气流中进行。‎ ‎17．事先煮沸溶液的原因：除去溶解在溶液中的(如氧气)防止某物质被氧化。‎ ‎1．(2017·全国卷Ⅲ，27)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：‎ ‎(1)步骤①的主要反应为 FeO·Cr2O3＋Na2CO3＋NaNO3Na2CrO4＋Fe2O3＋CO2＋NaNO2‎ 上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为________。该步骤不能使用陶瓷容器，原因是___________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)滤渣1中含量最多的金属元素是________，滤渣2的主要成分是________及含硅杂质。‎ ‎(3)步骤④调滤液2的pH使之变________(填“大”或“小”)，原因是 ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________(用离子方程式表示)。‎ ‎(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________。‎ ‎(5)某工厂用m‎1 kg铬铁矿粉(含Cr2O3 40%)制备K2Cr2O7，最终得到产品m‎2 kg，产率为________。‎ 解析：(1)由题中反应可知，FeO·Cr2O3是还原剂，Fe元素化合价由＋2升高到＋3，Cr元素化合价由＋3升高到＋6,1 mol FeO·Cr2O3失去7 mol电子；NaNO3是氧化剂，N元素化合价由＋5降低到＋3,1 mol NaNO3得到2 mol电子。根据电子守恒可得，FeO·Cr2O3和NaNO3的系数比为2∶7。步骤①不能使用陶瓷容器的原因是陶瓷在高温下会与Na2CO3反应。(2)熔块中Fe2O3不溶于水，过滤后进入滤渣1，则滤渣1中含量最多的金属元素是铁。滤液1中含有AlO、SiO及CrO，调节溶液pH＝7，则SiO转化为H2SiO3、AlO转化为Al(OH)3，故滤渣2为Al(OH)3及含硅杂质。(3)由流程图可知，滤液2通过调节pH使CrO转化为Cr2O，根据离子方程式2CrO＋2H＋??Cr2O＋H2O可知，增大H＋浓度，即pH变小，可以使上述平衡右移，有利于提高溶液中的Cr2O浓度。(4)由图像可知，在‎10℃‎左右时得到的K2Cr2O7固体最多。发生反应为2KCl＋Na2Cr2O7===K2Cr2O7＋2NaCl，该反应为复分解反应。(5)根据铬元素守恒可得：Cr2O3～K2Cr2O7，理论上m‎1 kg铬铁矿粉可制得K2Cr2O7的质量：×‎ ‎294 g‎·mol－1，则K2Cr2O7的产率为×100%＝×100%。‎ 答案：(1)2∶7　陶瓷在高温下会与Na2CO3反应 ‎(2)Fe　Al(OH)3‎ ‎(3)小　2CrO＋2H＋??Cr2O＋H2O ‎(4)d　复分解反应　(5)×100%‎ ‎2．(2017·北京卷，26)TiCl4是由钛精矿(主要成分为TiO2)制备钛(Ti)的重要中间产物，制备纯TiCl4的流程示意图如下：‎ 资料：TiCl4及所含杂质氯化物的性质 化合物 SiCl4‎ TiCl4‎ AlCl3‎ FeCl3‎ MgCl2‎ 沸点/℃‎ ‎58‎ ‎136‎ ‎181(升华)‎ ‎316‎ ‎1 412‎ 熔点/℃‎ ‎－69‎ ‎－25‎ ‎193‎ ‎304‎ ‎714‎ 在TiCl4中的溶解性 互溶 ‎——‎ 微溶 难溶 ‎(1)氯化过程：TiO2与Cl2难以直接反应，加碳生成CO和CO2可使反应得以进行。‎ 已知：TiO2(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(g)＋O2(g)　ΔH1＝＋175.4 kJ·mol－1‎ ‎2C‎(s)＋O2(g)===2CO(g)　ΔH2＝－220.9 kJ·mol－1‎ ‎①沸腾炉中加碳氯化生成TiCl4(g)和CO(g)的热化学方程式：‎ ‎____________________________________________________。‎ ‎②氯化过程中CO和CO2可以相互转化，根据下图判断：CO2生成CO反应的ΔH________0(填“＞”“＜”“＝”)，判断依据：‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎③氯化反应的尾气须处理后排放，尾气中的HCl和Cl2经吸收可得粗盐酸、FeCl3溶液，则尾气的吸收液依次是__________________________________________________。‎ ‎④氯化产物冷却至室温，经过滤得到粗TiCl4混合液，则滤渣中含有_____________。‎ ‎(2)精制过程：粗TiCl4经两步蒸馏得纯TiCl4。示意图如下：‎ 物质a是________，‎ T2应控制在__________________________________________________________。‎ 解析：(1)①钛精矿的主要成分是TiO2，在沸腾炉中加碳氯化时生成TiCl4(g)和CO(g)的反应为TiO2(s)＋2Cl2(g)＋‎2C(s)TiCl4(g)＋2CO(g)。将题给两个已知热化学方程式依次编号为ⅰ、ⅱ，根据盖斯定律，由ⅰ＋ⅱ可得TiO2(s)＋‎2C(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(g)＋2CO(g)，则有ΔH＝(＋175.4 kJ·mol－1)＋(－220.9 kJ·mol－1)＝－45.5 kJ·mol－1。‎ ‎②由图可知，随着温度升高，n(CO)逐渐增大、n(CO2)逐渐减小，说明升高温度，平衡CO2＋C??2CO正向移动，该反应的正反应为吸热反应，则该反应的ΔH＞0。‎ ‎③氯化反应的尾气中含有HCl和Cl2，经吸收得到粗盐酸、FeCl3溶液，可用水吸收HCl得到粗盐酸，用FeCl2溶液吸收Cl2得到FeCl3溶液，最后用NaOH溶液吸收未被吸收的HCl和Cl2，防止污染环境，故尾气吸收液依次为水、FeCl2溶液、NaOH溶液。‎ ‎④由TiCl4及所含杂质氯化物的性质表格数据可知，氯化产物冷却至室温，AlCl3、FeCl3和MgCl2均变成固体，SiCl4和TiCl4为液体，故过滤所得滤渣中含有AlCl3、FeCl3和MgCl2。‎ ‎(2)粗TiCl4中含有SiCl4，由于TiCl4的沸点高于SiCl4，故经过蒸馏塔一进行蒸馏后可除去SiCl4，物质a为SiCl4。经蒸馏塔二进行蒸馏后得到纯TiCl4，而使其他杂质留在物质b中，故T2应控制在136～‎181 ℃‎。‎ 答案：(1)①TiO2(s)＋2Cl2(g)＋‎2C(s)===TiCl4(g)＋2CO(g)　ΔH＝－45.5 kJ·mol－1　②＞　随温度升高，CO含量增大，说明生成CO的反应是吸热反应　③H2O、FeCl2溶液、NaOH溶液　④MgCl2、AlCl3、FeCl3‎ ‎(2)SiCl4　高于‎136 ℃‎，低于‎181 ℃‎ ‎3．(2017·江苏卷，19)某科研小组采用如下方案回收一种光盘金属层中的少量Ag(金属层中其他金属含量过低，对实验的影响可忽略)。‎ 已知：①NaClO溶液在受热或酸性条件下易分解，如：‎ ‎3NaClO===2NaCl＋NaClO3‎ ‎②AgCl可溶于氨水：AgCl＋2NH3·H2O??Ag(NH3)＋Cl－＋2H2O ‎③常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3)：‎ ‎4Ag(NH3)＋N2H4·H2O===4Ag↓＋N2↑＋4NH＋4NH3↑＋H2O ‎(1)“氧化”阶段需在‎80℃‎条件下进行，适宜的加热方式为________。‎ ‎(2)NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2，该反应的化学方程式为 ‎________________________________________________________________________。‎ HNO3也能氧化Ag，从反应产物的角度分析，以HNO3代替NaClO的缺点是 ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)为提高Ag的回收率，需对“过滤Ⅱ”的滤渣进行洗涤，并 ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)若省略“过滤Ⅰ”，直接向冷却后的反应容器中滴加10%氨水，则需要增加氨水的用量，除因过量NaClO与NH3·H2O反应外(该条件下NaClO3与NH3·H2O不反应)，还因为 ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(5)请设计从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag的实验方案：‎ ‎___________________________________________(实验中须使用的试剂有：2 mol·L－1水合肼溶液，1 mol·L－1H2SO4)。‎ 解析：(1)加热温度为‎80℃‎，适宜的加热方式为水浴加热。‎ ‎(2)根据题意可大致列出反应式：Ag＋NaClO―→AgCl＋NaOH＋O2，该反应是一个氧化还原反应，“―→”的左边缺少氢元素。根据得失电子守恒和原子守恒可写出化学方程式。浓HNO3被Ag还原的产物是NO2，稀HNO3被Ag还原的产物是NO。NO2与NO都能造成环境污染。‎ ‎(3)该洗涤操作所得滤液里含有Ag＋，对其回收的目的是提高Ag的回收率。‎ ‎(4)氨水的作用是AgCl＋2NH3·H2O??Ag(NH3)＋Cl－＋2H2O。根据平衡移动原理，减小氨水的浓度不利于AgCl与氨水反应。‎ 若省略“过滤Ⅰ”则“溶解”环节反应体系中Cl－浓度较大，根据沉淀溶解平衡：AgCl(s)??Ag＋(aq)＋Cl－(aq)及平衡移动原理，Cl－的浓度增大不利于AgCl与氨水反应。‎ ‎(5)设计实验方案应注意：①必须使用的试剂是2 mol·L－1水合肼溶液和1 mol·L－1 H2SO4溶液；②水合肼和Ag(NH3)能发生反应；4Ag(NH3)＋N2H4·H2O===4Ag↓＋N2↑＋4NH＋4NH3↑＋H2O；③溶液中生成的Ag是粉状固体；④作为一个回收Ag的方案，所得产品(Ag)应是纯净、干燥的。‎ 答案：(1)水浴加热 ‎(2)4Ag＋4NaClO＋2H2O===4AgCl＋4NaOH＋O2↑　会释放出氮氧化物(或NO、NO2)，造成环境污染 ‎(3)将洗涤后的滤液合并入过滤Ⅱ的滤液中 ‎(4)未过滤掉的溶液会稀释加入的氨水，且其中含有一定浓度的Cl－，不利于AgCl 与氨水反应 ‎(5)向滤液中滴加2 mol·L－1水合肼溶液，搅拌使其充分反应，同时用1 mol·L－1 H2SO4溶液吸收反应中放出的NH3，待溶液中无气泡产生，停止滴加，静置，过滤、洗涤，干燥 ‎4．(2017·全国卷Ⅱ，26)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是______________________________________________________________，‎ 还可使用________代替硝酸。‎ ‎(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为____________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)加氨水过程中加热的目的是___________________________________________。‎ 沉淀B的主要成分为__________________、__________________(写化学式)。‎ ‎(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后，用KMnO4标准溶液滴定，通过测定草酸的量可间接获知钙的含量，滴定反应为MnO＋H＋＋H‎2C2O4―→Mn2＋＋CO2＋H2O。实验中称取‎0.400 g水泥样品，滴定时消耗了0.050 0 mol·L－1的KMnO4溶液36.00 mL，则该水泥样品中钙的质量分数为________。‎ 解析：(1)由题意知，水泥样品中含有铁、铝和镁等金属的氧化物，后面操作有加入氨水调节pH＝4～5，目的是除去Al元素和Fe元素，而在此pH范围内，Fe元素只有转化为Fe3＋才能完全生成沉淀，因此加入硝酸的目的是将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋；还可以使用双氧水等其他氧化剂代替硝酸。(2)水泥样品中的SiO2、CaO及铁、铝、镁等金属的氧化物，只有SiO2(或反应生成的H2SiO3)不溶于盐酸，所以沉淀A的主要成分是SiO2(或H2SiO3)。SiO2(或H2SiO3)不与强酸反应，但可溶于氢氟酸中，反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)。(3)盐类水解是吸热反应，升高温度，促进溶液中的Al3＋、Fe3＋水解程度增大而生成沉淀，防止生成胶体，易于除去，加热的同时还可以加快反应速率；生成的沉淀主要为Al(OH)3、Fe(OH)3。(4)KMnO4与H‎2C2O4反应时，Mn由＋7价变为＋2价，每个Mn得到5个电子，即每个KMnO4得到5个电子，C由＋3价变为＋4价，每个C失去1个电子，即每个H‎2C2O4失去2个电子，由电子守恒可知，KMnO4与H‎2C2O4反应的物质的量关系式为2KMnO4～5H‎2C2O4。由题意知，消耗KMnO4的物质的量为0.050 0‎ ‎ mol/L×‎0.036 L＝0.001 8 mol，因此H‎2C2O4的物质的量为0.001 8 mol×＝0.004 5 mol。H‎2C2O4～CaC2O4，故CaC2O4的物质的量为0.004 5 mol，Ca的质量为0.004 5 mol×‎40 g/mol＝‎0.18 g，即水泥样品中钙的质量分数＝×100%＝45.0%。‎ 答案：(1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋　H2O2‎ ‎(2)SiO2(或H2SiO3)　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)‎ ‎(3)防止胶体生成，易沉淀分离　Al(OH)3　Fe(OH)3　(4)45.0%‎ ‎1．审题步骤 ‎2．解题思路 ―→―→―→ ‎3．常见问题的思考方向 ‎(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。‎ ‎(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、防潮解等目的。‎ ‎(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。‎ ‎(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。‎