高考化学三轮冲刺 专题复习6 化工流程中的除杂和结晶学案.docx

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高考化学三轮冲刺专题复习6化工流程中的除杂和结晶学案

化工流程中的除杂和结晶

1、教学内容分析：

本内容以元素化合物性质为核心、以化工生产为背景，以无机化工工艺流程呈现方式考察，流程一般分为三个过程：

原料处理阶段、分离提纯阶段、获得产品阶段。

简单来说，即为利用原材料，通过除杂、分离和提纯来获得产品。

明确流程中除杂试剂、分离和提纯方法是解决问题的关键。

2、相关基础知识：

（1）物质除杂原则

（2）化工工艺流程常见除杂方法（3）物质分离常用方法

3、高考情况分析：

2015年全国甲卷

27（3）（4）

2017年全国甲卷

27（3）

2015年全国乙卷

27（3）

2017年全国丙卷

27

（2）（3）（4）

【引出问题1】（2018年深圳一模改编）某火电厂收捕到的粉煤灰的主要成分为SiO2、A12O3、FeO、Fe2O3、MgO、TiO2等。

研究小组对其进行综合处理的流程如下：

Fe3+

Fe2+

A13+

Mg2+

开始沉淀pH

1.5

6.3

3.4

9.1

完全沉淀pH

2.8

8.3

4.7

11.1

回答下列问题：

（1）滤渣①的主要成分是______________；写出操作②的名称：

______________。

（2）所得TiO2·xH2O沉淀进行酸洗的目的为_____________________________________。

（3）加入双氧水的目的是_____________________________________；

为使滤

渣2沉淀完全，需调pH范围为__________________________。

分析：

（1）SiO2不与硫酸反应，且难溶于水，无物质与硫酸生产难溶物，故滤渣1的成分为SiO2；依箭头所示，操作②后得到滤液和TiO2·xH2O晶体，固液分离，即为过滤。

（2）TiO2·xH2O表面可能粘附Fe2+（主）、A13+、Mg2+等易水解离子，故可用酸洗洗去粘附的FeSO4，防止FeSO4水解，提高TiO2·xH2O的纯度。

（3）滤液2中含有Fe2+，氧化成Fe3+较易除去。

明确滤液2中所含溶质离子及水解程度大小比较和pH的关系，即可得出答案。

答案：

（1）SiO2、过滤

（2）洗去粘附的FeSO4，防止FeSO4水解，提高TiO2·xH2O的纯度。

（3）将Fe2+氧化成Fe3+，易于除去；4.7~9.1。

考法指导：

（1）工艺流程中常见分离方法：

过滤、蒸馏、萃取、升华。

依据箭头和物质的物理性质判断流程选择的方法。

（2）添加的物质通常以溶解试剂、沉淀剂、还原剂和氧化剂为主，明确流程此步骤的具体目的是关键。

（3）注意流程中的一些关键词：

例如酸浸、

过滤、调pH、滤渣、滤液等。

小结：

分析流程步骤，可从几个方面思考流程：

反应物是什么、发生了什么反应、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。

变式训练1：

（2012广东32，改编）

难溶性杂卤石（K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O）属于“呆矿”，在水中存在如下平衡：

　K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2H2O（s）

　2Ca2++2K++Mg2++4SO42－+2H2O

为能充分利用钾资源，用饱和Ca（OH）2溶液浸杂卤石制备硫酸钾，工艺流程如下：

（1）加入Ca（OH）2的目的是　　　　　　。

（3）“除杂”环节中，先加入　　　　　　溶液，经搅拌等操作后，　，再加入　　　　溶液调滤液PH至中性。

提示：

“除杂”环节中为了除去什么杂质？

加什么物质即可除去杂质又不引入新杂质？

答案：

（1）除去溶液中的Mg2+

（3）K2CO3、过滤、稀H2SO4

变式训练2：

（2017国丙27改编）

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＋NaNO3

Na2CrO4＋Fe2O3＋CO2＋NaNO2

（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”）。

分析：

步骤①给出了主要物质和主要反应，结合②中的关键词：

水浸和过滤，不难判断滤渣1和滤液1的成分。

③通过调pH=7和过滤得到滤渣2和滤液2，结合滤液1成分和生产目的可知滤渣2为Al（OH）3。

答案：

（2）Fe、Al（OH）3（3）小

考点：

过滤、

调pH除杂、结晶

变式训练3：

（2017北京26改编）

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

1412

熔点/℃

－69

－25

193

304

714

在TiCl4中的溶解性

互溶

—

微溶

难溶

④氯化产物冷却至室温，经________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____________________________________。

分析：

明确TiCl4混有的杂质，从给出的资料中获取TiCl4及所含杂质氯化物的性质差异，利用蒸馏的原理分离和提纯。

答案：

（1）④过滤；MgCl2、AlCl3、FeCl3

（2）SiCl4；高于136℃，低于181℃

考点：

蒸馏

归纳总结：

当遇到混合物的除杂、分离和提纯这一类题时，我们一定要认真在题目中找出要得到的主要物质是什么，混有的杂质有哪些，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，要用什么样的方法才能将杂质除去？

这里特别要注意蒸发与结晶的方法。

跟进练习：

1：

（2017海南17）

以工业生产硼砂所得废渣硼镁泥为原料制取MgSO4•7H2O的过程如图所示：

镁泥的主要成分如下表：

MgO

SiO2

FeO、Fe2O3

CaO

Al2O3

B2O3

30%～40%

20%～25%

5%～15%

2%～3%

1%～2%

1%～2%

回答下列问题：

（1）“酸解”时应该加入的酸是　　，“滤渣1”中主要含有　　（写化学式）。

（2）“除杂”时加入次氯酸钙、氧化镁的作用分别是　　、　　。

（3）判断“除杂”基本完成的检验方法是　　　　。

分析：

目标产物是MgSO4•7H2O，在不引入杂质的情况下选择硫酸，依据镁泥的主要成分，SiO2不溶于硫酸，溶液中的Ca2+会与硫酸反应生成CaSO4沉淀，则可知滤渣1主要成分。

次氯酸钙有强氧化性，氧化镁为了调pH值，可推断次氯酸钙是为了氧化溶液中的Fe2+，调pH值是为了沉淀溶液中Fe3+和Al3+。

答案：

（1）浓硫酸；SiO2、CaSO4　

（2）氧化亚铁离子；促进铁离子、铝离子转化为沉淀。

（3）溶液接近为无色。

小结：

调节pH所需的物质一般满足两点：

①能与H＋反应，使溶液pH值增大②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值。

2．（2014安徽27改编）

LiPF6是锂离子电池中广泛应用的电解质。

某工厂用LiF、PCl5为原料，低温反应制备LiPF6，其流程如下：

已知：

HCl的沸点是－85.0℃，HF的沸点是19.5℃。

（3）第④步分离采用的方法是　　　　　　　　；第⑤步分离尾气中HF、HCl采用的方法是　　　　　　　。

提示：

第④步从流程看显然是得到了固体和滤液，从流程和已知中获取信息判断步骤⑤

答案：

（3）过滤；冷凝

3．（2013国乙36）

草酸（乙二酸）可作还原剂和沉淀剂，用于金属除锈、织物漂白和稀土生产。

一种制备草酸（含2个结晶水）的工艺流程如下：

回答下列问题：

（2）该制备工艺中有两次过滤操作，过滤操作①的滤液是　　　　，滤渣是　　　　；过滤操作②的滤液是　　　和　　　　　，滤渣是　　　　　。

答案：

（2）NaOH溶液；CaC2O4；H2C2O4溶液；H2SO4溶液；CaSO4

【引出问题2】（2017国丙27改编）

重铬酸钾是一种重要的化工原料，一般由铬铁矿制备，铬铁矿主要成分为FeO·Cr2O3，还含有硅、铝等杂质。

制备流程如图所示：

（4）有关物质的溶解度如图所示。

向“滤液3”中

加入适量KCl，_____________________、_____________________、___________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℃

分析：

为得到K2Cr2O7固体产品最多，那应该使K2Cr2O7的溶解度尽可能小，其余物质溶解度尽可能大，结合图像可知温度较低易于K2Cr2O7析出。

答案：

（4）蒸发浓缩，冷却结晶，过滤、d　

归纳总结：

混合溶液中可先对比各物质溶质的量和溶解度的多少，结合操作目的，选择蒸发浓缩、冷却结晶或趁热过滤。

变式训练1：

（2018年深圳一模）某火电厂收捕到的粉煤灰的主要成分为SiO2、A12O3、FeO、Fe2O3、MgO、TiO2等。

研究小组对其进行综合处理的流程如下：

回答下列问题：

（5）实验室用MgCl2溶液制备MgCl2·7H2O，在不断滴加浓盐酸或通入HCl后，需要进行的操作是______________、_________________、___________、干燥。

答案：

（5）蒸发浓缩，冷却结晶，过滤

变式训练2：

（2013四川11改编）

明矾石经过处理后得到明矾[KAl（SO4）2•12H2O]。

从明矾制备Al、K2SO4和H2SO4的工艺过程如下所示：

焙烧明矾的化学方程式为：

4KAl（SO4）2•12H2O+3S=2K2SO4+2Al2O3+9SO2+48H2O

请回答下列问题：

（2）从水浸后的滤液中得到K2SO4晶体的方法是　　　　　　　　　。

答案：

（2）蒸发结晶

变式训练3：

（2013广东32）

银铜合金广泛用于航空工业。

从切割废料中回收银并制备铜化工产品的工艺如下：

[Cu（OH）2在800C以上分解；Al（OH）3在3000C以上分解]

（5）CuSO4溶液也可用于制备胆矾，其基本操作是　　　、过滤、洗涤和干燥。

答案：

（5）蒸发浓缩、冷却结晶

变式训练4：

（2016北京27）

以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等）和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。

其工作流程如下：

（3）PbO溶解在NaOH溶液中，存在平衡：

PbO（s）+NaOH（aq）

NaHPbO2（aq），

其溶解度曲线如图所示。

②过程Ⅲ的目的是提纯。

结合上述溶解度曲线，简述过程Ⅲ的操作：

____________________。

答案：

（3）②将粗PbO溶解在一定量35%NaOH溶液中，加热至110℃，充分溶解后，趁热过滤，冷却结晶，过滤、洗涤并干燥得到PbO固体。

【规律方法总结】

1、单一溶质溶液：

①所得晶体不带结晶水：

蒸发、结晶

②所得晶体带结晶水：

蒸发浓缩（至有晶膜出现）、冷却晶体、过滤。

2、混合溶液：

①溶解度随温度升高而增大的晶体：

蒸发浓缩（至有晶膜出现）、冷却晶体、过滤、洗涤（冰水洗、热水洗、乙醇洗）、干燥。

②溶解度受温度影响较小或随温度升高而减小的晶体：

蒸发浓缩、趁热过滤、洗涤、干燥。

3、注意问题：

①考虑物质是否受热分解；②考虑金属离子是否水解。

跟进练习：

1．（2013江苏19）

柠檬酸亚铁（FeC6H6O7）是一种易吸收的高效铁制剂，可由绿矾（FeSO4·7H2O）通过下列反应制备：

FeSO4+Na2CO3===FeCO3↓+Na2SO4　FeCO3+C6H8O7===FeC6H6O7+CO2↑+H2O

某研究性学习小组欲从硫铁矿烧渣（主要成分为Fe2O3、SiO2、Al2O3）出发，先制备绿矾，再合成柠檬酸亚铁。

请结合右图的绿矾溶解度曲线，补充完整由硫铁矿烧渣制备FeSO4·7H2O晶体的实验步骤（可选用的试剂：

铁粉、稀硫酸和NaOH溶液）：

向一定量烧渣中加入足量的稀硫酸充分反应，过滤，向滤液中滴加过量的NaOH溶液，过滤，充分洗涤固体，向固体中加入

足量稀硫酸至固体完全溶解，再加入足量的铁粉，充分搅拌后，过滤，得到FeSO4溶液，滴加稀硫酸酸化，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，得到FeSO4·7H2O晶体。

答案：

（5）加热浓缩得到60℃饱和溶液，冷却至0℃结晶，过滤，少量冰水洗涤，低温干燥

常见除杂和结晶解题思路归纳：

2．（2017海南17改编）

以工业生产硼砂所得废渣硼镁泥为原料制取MgSO4•7H2O的过程如图所示：

镁泥的主要成分如下表：

MgO

SiO2

FeO、Fe2O3

CaO

Al2O3

B2O3

30%～40%

20%～25%

5%～15%

2%～3%

1%～2%

1%～2%

MgSO4和CaSO4在不同温度下的溶解度如下表：

S（g）/T（℃）

25

50

60

70

90

MgSO4

11.6

23.3

32.5

38.1

42.5

CaSO4

0.2028

0.1817

0.1632

0.1569

0.1492

回答下列问题：

（4）分离滤渣3应趁热过滤的原因是　　。

答案：

（4）温度对硫酸镁、硫酸钙的溶解度影响不同，温度越高，硫酸钙溶解度越小，可以采用蒸发浓缩

，趁热过滤方法除去硫酸钙。

3．（2015天津09）

废旧印刷电路板是一种电子废弃物，其中铜的含量达到矿石中的几十倍。

湿法技术是将粉碎的印刷电路板经溶解、萃取、电解等操作得到纯铜等产品。

某化学小组模拟该方法回收铜和制取胆矾，流程简图如下：

回答下列问题：

（4）操作⑤由硫酸铜溶液制胆矾的主要步骤是　　　　　　　　　　　　。

答案：

（4）加热浓缩、冷却结晶、过滤

【课后练习】：

1．（2016江苏19）

实验室以一种工业废渣（主要成分为MgCO3、Mg2SiO4和少量Fe、Al的氧化物）为原料制备MgCO3·3H2O。

实验过程如下：

（3）用右图所示的实验装置进行萃取分液，以除去溶液中的Fe3+。

②为使Fe3+尽可能多的从水相转移至有机相，采取的操作：

向装有水溶液的仪器A中加入一定量的有机萃取剂，

、静置、分液，并重复多次。

（4）请补充完整由萃取后得到的水溶液制备MgCO3·3H2O的实验方案：

边搅拌边向溶液中滴加氨水，，过滤、用水洗涤固体2~3次，在50℃下干燥，得到MgCO3·3H2O。

[已知该溶液中pH=8.5时Mg（OH）2开始沉淀；pH=5.0时Al（OH）3沉淀完全]。

【答案】

（3）②充分振荡

（4）至5

2．（2015国乙27）

硼及其化合物在工业上有许多用途。

以铁硼矿（主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等）为原料制备硼酸（H3BO3）的工艺流程如图所示：

回答下列问题：

（2）利用　　　　　　的磁性，可将其从“浸渣”中分离。

“浸渣”中还剩余的物质是___________________________（化学式）。

（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

然后在调节溶液的pH约为5，目的是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

答案：

（2）Fe3O4；SiO2和CaSO4

（3）将Fe2+氧化成Fe3+；使Fe3+与Al3+形成氢氧化物沉淀而除去

4．（2015山东31）

毒重石的主要成分BaCO3（含Ca2+、Mg2+、Fe3+等杂质），实验室利用毒重石制备BaCl2·2H2O的流程如下:

Ca2+

Mg2+

Fe3+

开始沉淀时的pH

11.9

9.1

1.9

完全沉淀时的pH

13.9

11.1

3.2

（3）加入NH3·H2O调节pH=8可除去　　（填离子符号），滤渣Ⅱ中含

　　　　　　　　（填化学式）。

答案：

（2）Fe3+；Mg（OH）2、Ca（OH）2；

5．（2013国甲27）

氧化锌为白色粉末，可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。

纯化工业级氧化锌（含有Fe（Ⅱ）

Mn（II）、Ni（II）等杂质）的流程如下：

提示：

在本实验条件下，Ni（II）不能被氧化；高锰酸钾的还原产物是MnO2。

回答下列问题：

（1）反应②中除掉的杂质离子是　　　　　。

（2）反应③过滤得到的滤渣中，除了过量的锌外还有　　　　　　。

答案：

（1）Fe2+和Mn2+　

（2）镍

6．（2013北京27）

用含有A12O3、SiO2和少量FeO·xFe2O3的铝灰制备A12（SO4）3·18H2O，工艺流程如下（部分操作和条件略）：

Ⅰ．向铝

灰中加入过量稀H2SO4，过滤；

Ⅱ．向滤液中加入过量KMnO4溶液，调节溶液的pH约为3；

Ⅲ．加热，产生大量棕色沉淀，静置，上层溶液呈紫红色；

Ⅳ．加入MnSO4至紫红色消失，过滤；

Ⅴ．浓缩、结晶、分离，得到产品。

（3）已知：

生成氢氧化物沉淀的pH

Al（OH）3

Fe（OH）2

Fe（OH）3

开始沉淀时

3.4

6.3

1.5

完全沉淀时

4.7

8.3

2.8

注：

金属离子

的起始浓度为0.1mol·L-1

根据表中数据解释步骤Ⅱ的目的：

　　　　　　　　　　　　　　　　　。

答案：

（3）pH约为3时，Fe2+和Al3+不能形成沉淀，将Fe2+氧化为Fe3+，可使铁完全沉淀

7．（2014山东32）

工业上用重铬酸钠（Na2Cr2O7）结晶后的母液（含少量杂质Fe3+）生产重铬酸钾（K2Cr2O7）。

工艺流程及相关物质溶解度曲线如图：

（1）由Na2Cr2O7生产K2Cr2O7，通过冷却结晶析出大量K2Cr2O7的原因是____________。

（2）向Na2Cr2O7母液中加碱液调PH的目的是____________________________。

（3）固体A主要为___________（填化学式），固体B主要为________（填化学式）。

答案：

（1）低温下K2Cr2O7溶解度远小于其他组分，随温度的降低，K2Cr2O

7溶解度明显减小。

（2）除去Fe3+

（3）NaCl；K2Cr2O7

【备注】

一、工艺流程解题思路：

1、从题头中获取有用信息，了解生产的产品。

2

、然后整理浏览一下流程，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：

一切反应或操作为获得产品而服务。

4、从问题中获取信息，帮助解题。

二、基础知识回顾

1、物质除杂原则

①不增，即在除去杂质的

同时，不引入新的杂质

②不减，即不减

少被提纯的物质

③简便，即分离操作简便易行

④易得，即除杂试剂价格便宜，容易得到

2、化工工艺流程常见

除杂方法

①调pH值除杂

通过添加试剂来控制溶液的酸碱性使某些金属离子形成氢氧化物沉淀而除去。

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

Fe（OH）3

Fe（OH）2

Mn（OH）2

开始沉淀

2.7

7.6

8.3

沉淀完全

3.7

9.6

9.8

问题：

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。

②试剂除杂

利用化学试剂直接将混合物中的杂质转化为气体或沉淀除去。

③加热除杂

通过加热等方式，使杂质挥发、分解、升华或者彻底水解而除去。

3、物质分离常用方法

①过滤：

分离难溶物和易溶物，根据特殊需要可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蒸馏与分馏：

分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。

④升华法：

分离可以升华的固体物质和不能挥发的固体物质。