版第4章 高考专题讲座二 化学工艺流程试题的突破方略.docx
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版第4章高考专题讲座二化学工艺流程试题的突破方略
（二） 化学工艺流程试题的突破方略
（对应学生用书第89页）
[试题背景分析]
化学工艺流程题是全国高考中的必考题型，它是传统的“无机框图题”的变革与创新，是将化工生产过程中的主要生产阶段即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，形成与化工生产紧密联系的化学工艺试题。
这类试题充分体现了“化学是真实的”这样一种命题指导思想。
1．呈现模式
2．识图方法
图1 图2 图3
图1箭头表示的是反应物加入同时生成物出来
图2箭头表示反应物分步加入和生成物出来
图3箭头表示循环反应。
[试题三步分析]
1．读题干——明确原料成分和目的要求
【注意】
（1）看原料及其成分，
（2）看目的——提纯除去什么制备什么。
2．读流程——明确各步转化原理和目的
我们把题目分为三个层次：
读得懂的；读不太懂但根据上下文可以勉强懂的；完全读不懂的。
【注意】
（1）看箭头：
进入的是投料（即反应物）；出去的是生成物（包括主产物和副产物）。
（2）看三线：
主线主产品；分支副产品；回头为循环。
（3）找信息：
明确反应条件控制和分离提纯方法。
（4）关注所加物质的可能作用：
参与反应、提供反应氛围、满足定量要求。
3．读问题——明确答什么
（1）答是所问：
要看清题目要求，按要求答题。
如：
是写离子方程式还是写化学方程式？
是写物质的名称还是写化学式？
（2）准确规范：
回答问题要准确全面，注意语言表达的规范性，例如评价或比较实验方案时要全面考虑：
反应物的种类、是否易得、是否对环境有污染；反应产物的种类，各种反应产物对目标产物的分离和提纯是否有影响，反应条件是否苛刻；仪器、设备的使用是否要求高；工艺流程、实验步骤的多少等等。
方程式中反应物、产物的分子式要书写正确；化学方程式、电极反应式和离子方程式的书写及配平要正确；要正确使用等号或可逆符号，正确使用沉淀、气体、水溶液等符号。
[试题答题模板]
1．增大原料浸出率（离子在溶液中被浸出的百分率）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。
根据物质的具体性质，原料浸泡可分为水浸、酸浸、碱浸、醇浸等。
2．加热问题
（1）加热的目的：
加快反应速率或促使平衡向某个方向（一般是有利于生成物生成的方向或利于除杂的方向）移动。
（2）温度不高于某个值的原因：
适宜的高温可适当加快反应速率，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，同时影响催化剂性能及产品的生成。
3．过滤问题
（1）从滤液中提取一般晶体（溶解度随温度升高而增大的晶体）的步骤：
蒸发浓缩（至有晶膜出现）、冷却结晶、过滤、洗涤（冰水洗、热水洗、乙醇洗）、干燥。
（2）从滤液中提取特殊晶体（溶解度受温度影响较小或溶解度随温度升高而减小的晶体）的步骤：
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。
（3）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，用胶头滴管取上层清液少许放入小试管中，向其中滴入沉淀剂，若无沉淀生成，则说明离子沉淀完全。
（4）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。
（5）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，若没有特征现象出现，则证明沉淀已洗涤干净。
（6）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。
（7）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。
4．控制pH使某些金属离子以氢氧化物的形式沉淀：
调节pH所用的试剂为主要元素对应的氧化物、碳酸盐、碱，以此可避免引入新的杂质；明确调节pH的范围、范围过小的后果（导致某离子沉淀不完全）或范围过大的后果（导致主要离子开始沉淀）。
5．减压蒸馏（减压蒸发）的原因：
减小压强，使液体沸点降低，防止物质挥发或受热分解（如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3）。
[试题分类探究]
以除杂、分离、提纯为主体的化工流程题
本质就是对混合物的除杂、分离、提纯。
首先，找出要得到的主要物质是什么，混有哪些杂质；然后，认真分析当加入某一试剂后，能与什么物质发生反应，生成了什么产物；最后，思考要用什么样的方法才能将杂质除去。
这样才能知道每一步所加试剂的作用或操作的目的。
以下是常考的几种分离提纯方法。
1．过滤
（1）对特定条件的悬浊液可采用趁热过滤（防止冷却时其他晶体的析出）和减压过滤或抽滤（快速过滤同时减少沉淀中的水，便于干燥）。
（2）关于洗涤，经常涉及四个问题：
①为什么要洗涤？
洗涤的目的通常有：
除去晶体表面的可溶性杂质；洗涤过滤所得到的残渣，把有用的物质，如目标产物尽可能洗出来，以提高产率；防止污染环境，如滤渣表面有一些对环境有害的重金属离子等物质要洗涤。
②用什么洗涤？
常用的洗涤试剂可以是蒸馏水、有机溶剂（如酒精、丙酮等）。
用酒精洗涤的好处是：
可以降低晶体因溶解而造成的损失，可以除去晶体表面的水分，酒精易挥发，晶体易干燥。
③怎样洗涤？
④怎样证明已经洗涤干净？
2．结晶
（1）蒸发浓缩、冷却结晶：
适用于杂质的溶解度随温度变化不大的物质分离提纯，如除去KNO3中的少量NaCl或受热易分解的物质，如晶体水合物、铵盐等。
（2）蒸发结晶、趁热过滤：
适用于杂质的溶解度随温度变化较大物质的分离提纯，可减少杂质晶体的析出，如除去NaCl中的少量KNO3。
趁热过滤的方法：
漏斗预热，用少量热蒸馏水通过过滤器，带加热装置的漏斗、抽滤。
（3）重结晶：
这是将晶体溶于溶剂以后，又重新从溶液中结晶的过程，可以使不纯净的物质进一步纯化。
提醒：
晶体的干燥：
要得到干燥的晶体，常见的干燥的方法有自然晾干、滤纸吸干、在干燥器中干燥、烘干（适用于热稳定性较好的物质）。
3．萃取—分液
常涉及萃取剂的选择，分液操作及主要仪器（分液漏斗）。
萃取一般是利用溶解度的不同用萃取剂把溶液中的溶质提取到萃取剂中而分层，进而分液；而分液是将互不相溶的两层液体分离开（先分出下层液体，再从上口倒出上层液体）。
4．蒸馏
常涉及主要仪器及注意事项（加沸石、温度计的位置、冷却水的流向等）。
蒸馏一般分离沸点不同的互溶液体。
5．其他分离提纯方法
（1）调节溶液的pH
①控制溶液的酸碱性使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀。
例如，已知下列物质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）3
1.5
3.7
Fe（OH）2
7.6
9.6
Mn（OH）2
8.3
9.8
若要除去Mn2＋溶液中含有的Fe2＋，可先用氧化剂把Fe2＋氧化为Fe3＋，再调节溶液的pH在3.7≤pH<8.3。
②调节pH所需的物质应满足两点：
能与H＋反应，使溶液pH增大；不引入新杂质。
例如，要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu（OH）2、CuCO3、Cu2（OH）2CO3等物质来调节溶液的pH。
（2）沉淀法：
废水中的Hg2＋可加Na2S除去。
（3）气体法：
食盐中的Na2CO3可加盐酸除去。
[典例导航]
（2017·全国Ⅰ卷，节选T27）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：
（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，所采用的实验条件为__________________________________________。
（2）“酸浸”后，钛主要以TiOCl
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40min所得实验结果如下表所示：
温度/℃
30
35
40
45
50
TiO2·xH2O
转化率/%
92
95
97
93
88
分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因为___________________________
_________________________________________________________________
________________________________________________________________。
（4）Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4价，其中过氧键的数目为________。
（5）写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式
________________________________________________________________。
[审题指导]
【答案】
（1）100℃、2h,90℃、5h
（2）FeTiO3＋4H＋＋4Cl－===Fe2＋＋TiOCl
＋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转化反应速度下降
（4）4[Li2Ti5O15中Li为＋1价，O为－2价，Ti为＋4价，过氧根（O
）中氧元素显－1价，设过氧键的数目为x，根据正负化合价代数和为0，可知（＋1）×2＋（＋4）×5＋（－2）×（15－2x）＋（－1）×2x＝0，解得：
x＝4。
]
（5）2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4
2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O
（1）钛铁矿与盐酸反应速率加快的措施有____________________（填两种）。
（2）滤液①水解生成TiO2·xH2O的离子方程式为___________________
________________________________________________________________________。
（3）2Fe3＋＋Mg3（PO4）22FePO4＋3Mg2＋的化学平衡常数K＝______________
_________________________________________________（列式计算），
此反应能否发生______（填“能”或“否”）。
为什么？
{已知Ksp[Mg3（PO4）2]=1.0×10-24,Ksp（FePO4）=1.3×10-22}
________________________________________________________________________。
（4）滤液②中加双氧水的作用是___________________________________
________________________________________________________________________。
【答案】
（1）钛铁矿粉碎、加热、搅拌、增大盐酸浓度（填写其中任意2条即可）
（2）TiOCl
＋（x＋1）H2OTiO2·xH2O＋4Cl－＋2H＋
（3）
＝
＝
mol·L－1≈5.9×1019mol·L－1 能 因为此反应的K>1.0×10－5mol·L－1，反应可以发生
（4）使Fe2＋被氧化为Fe3＋进而生成FePO4
[对点训练]
1．（2017·全国Ⅱ卷，T26）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0.400g水泥样品，滴定时消耗了0.0500mol·L－1的KMnO4溶液36.0mL，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，可防止生成胶体，同时促进溶液中的Al3＋、Fe3＋水解程度增大而生成沉淀易于除去，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0.0500mol/L×0.036L＝0.0018mol，因此H2C2O4的物质的量为0.0018mol×
＝0.0045mol。
H2C2O4～CaC2O4，故CaC2O4的物质的量为0.0045mol，Ca的质量为0.0045mol×40g/mol＝0.18g，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%
以物质制备为主体的化工流程题
1．明确要制备的是什么物质，从题干或问题中获取有用信息，了解产品的性质。
题目中的信息往往是制备该物质的关键所在。
若产物具有某些特殊性质（由题中信息获得或根据所学知识判断），则要采取必要的措施来避免在生产过程中产生其他杂质。
一般来说主要有如下几种情况：
（1）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NaHCO3，还有H2O2、Ca（HCO3）2、KMnO4、AgNO3、HNO3（浓）等物质。
（2）如果产物是一种易水解的盐，且水解产物中有挥发性的酸产生，则要加相对应的酸来防止水解。
如制备FeCl3、AlCl3、MgCl2、Cu（NO3）2等物质，蒸干其溶液得到固体溶质时，都要加相对应的酸或在酸性气流中干燥以防止其水解。
（3）如果产物是一种强氧化剂或强还原剂，则要防止可以与其发生氧化还原反应的物质接触，如含Fe2＋、S2－的物质，要防止其与氧化性强的物质接触。
（4）如果产物是一种易吸收空气中的CO2或水而变质的物质（如NaOH固体等），在制备过程中则要将CO2或水除去，同时也要防止空气中的CO2或水进入装置。
（5）如果题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要注意对比它们的溶解度随温度升高而改变的情况，根据它们的不同变化，找出合适的分离方法。
2．在流程题中，常会看到压强、温度等外界条件的出现，不同的工艺对化学反应的温度或压强有不同的要求，其所起的作用也不一样，但都是能否达到实验目的的关键所在，也是命题专家们经常考查的地方。
对外界条件的分析主要从对反应速率和平衡转化率的影响这两个方面着手。
如对外界条件——温度可从以下几个方面来考查：
（1）趁热过滤（或冰水洗涤）的目的：
防止某物质降温时析出（或升温时溶解）而损失或带入新的杂质。
（2）冰水中反应（或降温反应）的目的：
防止某物质在高温下溶解（或使化学平衡向着放热的方向移动）。
（3）反应中采取加热措施的目的：
一般是加快反应速率或加速某固体的溶解。
（4）如果题目要求温度控制在一个具体的范围内（可用水浴或油浴来控制），一般有以下几个目的：
①防止某种物质在高温下分解或挥发，也可能是为了使某物质达到沸点而挥发出来，具体问题要具体分析。
如Br2的制取过程中，出溴口的温度控制在80℃～90℃，目的是使Br2挥发出来的同时减少水蒸气的混入。
②使催化剂的活性达到最高：
如工业合成氨或SO2的催化氧化反应，选择的温度是500℃左右，原因之一就是这样可使催化剂的活性达到最高。
③对于一些工艺来说，降温或减压都可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的目的。
[典例导航]
（2015·全国Ⅰ卷，T27）硼及其化合物在工业上有许多用途。
以①铁硼矿（主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等）为原料②制备硼酸（H3BO3）的③工艺流程如下所示：
回答下列问题：
（1）写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式：
____________________
________________________________________________________________。
为④提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度外，还可采取的措施有__________________________（写出两条）。
（2）利用________的⑤磁性，可将其从“浸渣”中分离。
“浸渣”中还剩余的物质是________（写化学式）。
（3）“净化除杂”需先加⑥H2O2溶液，作用是________________。
然后再调节溶液的⑦pH约为5，目的是____________________________。
（4）“粗硼酸”中的主要杂质是________（填名称）。
（5）以硼酸为原料可制得⑧硼氢化钠（NaBH4），它是有机合成中的重要还原剂，其电子式为________。
（6）单质硼可用于生产具有优良抗冲击性能的硼钢。
以⑨硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程__________________________
________________________________________________________________。
[审题指导]
【答案】
（1）Mg2B2O5·H2O＋2H2SO4
2H3BO3＋2MgSO4 提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径
（2）Fe3O4 SiO2和CaSO4（提示：
Fe3O4具有磁性。
“浸渣”中除含Fe3O4外，还含有与H2SO4不反应的SiO2，以及CaO与H2SO4反应生成的微溶物CaSO4。
）
（3）将Fe2＋氧化成Fe3＋ 使Fe3＋与Al3＋形成氢氧化物沉淀而除去
（4）（七水）硫酸镁（滤液中含有MgSO4）
（6）2H3BO3
B2O3＋3H2O、B2O3＋3Mg
2B＋3MgO
（1）Al2O3、FeO与硫酸溶液反应的离子方程式为____________________________、______________________________。
（2）“净化杂质”加H2O2溶液反应的离子方程式为____________________________。
（3）过滤用到的玻璃仪器有漏斗、__________________；蒸发浓缩用到的玻璃仪器有酒精灯、__________________。
【答案】
（1）Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O
（2）2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O
（3）烧杯、玻璃棒 蒸发皿、玻璃棒
[对点训练]
2．（2018·郑州模拟）已知草酸镍晶体（NiC2O4·2H2O）难溶于水，工业上从废镍催化剂（主要成分为Ni，含有一定量的Al2O3、FeO、SiO2、CaO等）制备草酸镍晶体的流程如图所示：
已知：
①相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见表中数据：
金属离子
Fe3＋
Fe2＋
Al3＋
Ni2＋
开始沉淀的pH
1.1
5.8
3.0
6.8
完全沉淀的pH
3.2
8.8
5.0
9.5
②Ksp（CaF2）＝1.46×10－10mol3·L－3；
③当某物质浓度小于1.0×10－5mol·L－1时，视为完全沉淀。
请回答下列问题：
【导学号：
95160087】
（1）请写出一种能提高“酸浸”速率的措施：
________________________________。
（2）试剂a是一种绿色氧化剂，写出“氧化”时反应的离子方程式：
___________________________________________。
（3）“调pH”时pH的调控范围为________________，试用化学反应原理的相关知识解释滤渣Ⅱ的生成：
____________________________________________
________________________________________________________________________。
（4）写出“沉镍”时发生反应的离子方程式：
______________________
________________________________________________________________________，
证明Ni2＋已经沉淀完全的实验步骤及现象是____________________________
________________________________________________________________________，
当Ca2＋沉淀完全时，溶液中[F－]>________mol·L－1（写出计算式即可）。
（5）操作a的内容是_________________________________________________。
【解析】
（1）把废镍催化剂粉碎，或适当加热、适当增大酸的浓度或提高搅拌速率等都可以提高酸浸速率。
（2）试剂a是过氧化氢，反应的离子方程式为2Fe2＋＋2H＋＋H2O2===2Fe3＋＋2H2O。
（3）因为铁、铝是以
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