专题01 化学工艺流程与物质制备.docx

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专题01化学工艺流程与物质制备

01．化学工艺流程与物质制备

【题型分析】

物质制备类化工流程题常以某种物质（目标产物）的制备为基础，涉及原料的预处理、物质的制备原理、产品的分离及提纯等具体步骤，兼顾考查元素及其化合物、化学基本概念和基本理论、化学实验等知识。

一个完整的物质制备类化工生产流程一般包括以下具体内容：

【知识解读】

1．熟悉经典流程

（1）海水提溴

（2）海水提碘：

海带中碘的提取

（3）海水提镁

（4）海水提盐与氯碱工业、钠的制备

（5）从铝土矿中获得铝

流程Ⅰ：

流程Ⅱ：

（6）工业上制高纯硅

（7）硫酸的工业生产

（8）合成氨与硝酸工业

2．制备过程中控制反应条件的6种常用方法

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变大；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或Cu2（OH）2CO3等物质来调节溶液的pH，不可加入NaOH溶液、氨水等

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

控制压强

改变速率，影响平衡

使用合适的催化剂

加快反应速率，缩短达到平衡所需要的时间

趁热过滤

防止某物质降温时析出

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

3．工艺流程中的常见专业术语

关键词

释义

研磨、雾化

将块状或颗粒状的物质磨成粉末或将液体雾化，增大反应物接触面积，以加快反应速率或使反应更充分

灼烧（煅烧）

使固体在高温下分解或改变结构、使杂质高温氧化、分解等。

如煅烧石灰石、高岭土、硫铁矿

浸取

向固体中加入适当溶剂或溶液，使其中可溶性的物质溶解，包括水浸取、酸溶、碱溶、醇溶等

浸出率

固体溶解后，离子在溶液中的含量的多少

酸浸

在酸性溶液中使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去的过程

水浸

与水接触反应或溶解

过滤

固体与液体的分离

滴定

定量测定，可用于某种未知浓度物质的物质的量浓度的测定

蒸发结晶

蒸发溶剂，使溶液由不饱和变为饱和，继续蒸发，过剩的溶质就会呈晶体析出

蒸发浓缩

蒸发除去部分溶剂，提高溶液的浓度

水洗

用水洗去可溶性杂质，类似的还有酸洗、醇洗等

酸作用

溶解、去氧化物（膜）、抑制某些金属离子的水解、除去杂质离子等

碱作用

去油污，去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅，调节pH、促进水解（沉淀）

【题型示例】

例1：

（2019年新课标Ⅰ卷）硼酸（H3BO3）是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工艺。

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℃“溶侵”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+离子，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_______酸；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_________。

【答案】

（1）NH3+NH4HCO3=（NH4）2CO3

（2）Fe2O3、Al2O3、SiO2KSCN

（3）一元弱酸目的是将B（OH）−4转化为H3BO3，并促进H3BO3析出

（4）2Mg2++2H2O+3CO32-=Mg（OH）2∙MgCO3↓+2HCO3-

母液加热分解后生成硫酸铵溶液，可以返回“溶浸”工序循环使用高温焙烧

【解析】

（1）根据流程图知硼镁矿粉中加入硫酸铵溶液产生的气体为氨气，用碳酸氢铵溶液吸收，反应方程式为：

NH3+NH4HCO3=（NH4）2CO3；

（2）滤渣I为不与硫酸铵溶液反应的Fe2O3、Al2O3、SiO2;检验Fe3+,可选用的化学试剂为KSCN；（3）由硼酸的离解方程式知，硼酸在水溶液中是通过与水分子的配位作用产生氢离子，而三价硼原子最多只能再形成一个配位键，且硼酸不能完全解离，所以硼酸为一元弱酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是将B（OH）−4转化为H3BO3，并促进H3BO3析出；（4）沉镁过程中用碳酸铵溶液与Mg2+反应生成Mg（OH）2∙MgCO3，沉镁过程的离子反应为：

2Mg2++2H2O+3CO32-=Mg（OH）2∙MgCO3↓+2HCO3-；母液加热分解后生成硫酸铵溶液，可以返回“溶浸”工序循环使用；碱式碳酸镁不稳定，高温下可以分解，故由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是高温焙烧。

例2：

（2019年江苏高考化学）实验室以工业废渣（主要含CaSO4·2H2O，还含少量SiO2、Al2O3、Fe2O3）为原料制取轻质CaCO3和（NH4）2SO4晶体，其实验流程如下：

（1）室温下，反应CaSO4（s）+CO32-（aq）

CaCO3（s）+SO42-（aq）达到平衡，则溶液中

=________[Ksp（CaSO4）=4.8×10−5，Ksp（CaCO3）=3×10−9]。

（2）将氨水和NH4HCO3溶液混合，可制得（NH4）2CO3溶液，其离子方程式为________；浸取废渣时，向（NH4）2CO3溶液中加入适量浓氨水的目的是_____________________。

（3）废渣浸取在如图所示的装置中进行。

控制反应温度在60~70℃，搅拌，反应3小时。

温度过高将会导致CaSO4的转化率下降，其原因是________；保持温度、反应时间、反应物和溶剂的量不变，实验中提高CaSO4转化率的操作有________。

（4）滤渣水洗后，经多步处理得到制备轻质CaCO3所需的CaCl2溶液。

设计以水洗后的滤渣为原料，制取CaCl2溶液的实验方案：

______[已知pH=5时Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀完全；pH=8.5时Al（OH）3开始溶解。

实验中必须使用的试剂：

盐酸和Ca（OH）2]。

【答案】

（1）1.6×104

（2）HCO3-+NH3·H2O＝NH4++CO32-+H2O（或HCO3-+NH3·H2O

NH4++CO32-+H2O）

增加溶液中CO32-的浓度，促进CaSO4的转化

（3）温度过高，（NH4）2CO3分解加快搅拌速率

（4）在搅拌下向足量稀盐酸中分批加入滤渣，待观察不到气泡产生后，过滤，向滤液中分批加入少量

Ca（OH）2，用pH试纸测量溶液pH，当pH介于5~8.5时，过滤

【解析】

（1）反应CaSO4（s）+CO32-（aq）

CaCO3（s）+SO42-（aq）达到平衡时，溶液中

=

=

=

=1.6×104；

（2）NH4HCO3属于酸式盐，与氨水反应生成（NH4）2CO3，反应的化学方程式为NH4HCO3+NH3·H2O=（NH4）2CO3+H2O[或NH4HCO3+NH3·H2O

（NH4）2CO3+H2O]，离子方程式为HCO3-+NH3·H2O=NH4++CO32-+H2O（或HCO3-+NH3·H2O

NH4++CO32-+H2O）；浸取废渣时，加入的（NH4）2CO3属于弱酸弱碱盐，溶液中存在水解平衡：

CO32-+NH4++H2O

HCO3-+NH3·H2O，加入适量浓氨水，水解平衡逆向移动，溶液中CO32-的浓度增大，反应CaSO4（s）+CO32-（aq）

CaCO3（s）+SO42-（aq）正向移动，促进CaSO4的转化；（3）由于铵盐具有不稳定性，受热易分解，所以温度过高，（NH4）2CO3分解，从而使CaSO4转化率下降；由于浸取过程中的反应属于固体与溶液的反应（或发生沉淀的转化），保持温度、反应时间、反应物和溶剂的量不变，提高CaSO4转化率即提高反应速率，结合外界条件对化学反应速率的影响，实验过程中提高CaSO4转化率的操作为加快搅拌速率（即增大接触面积，加快反应速率，提高浸取率）；（4）工业废渣主要含CaSO4·2H2O，还含有少量SiO2、Al2O3和Fe2O3，加入（NH4）2CO3溶液浸取，其中CaSO4与（NH4）2CO3反应生成CaCO3和（NH4）2SO4，SiO2、Al2O3和Fe2O3都不反应，过滤后所得滤渣中含CaCO3、SiO2、Al2O3和Fe2O3；若以水洗后的滤渣为原料制取CaCl2溶液，根据题给试剂，首先要加入足量盐酸将CaCO3完全转化为CaCl2，发生的反应为CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，与此同时发生反应Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O、Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O，SiO2不反应，经过滤除去SiO2；得到的滤液中含CaCl2、AlCl3、FeCl3，根据“pH=5时Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀完全，pH=8.5时Al（OH）3开始溶解”，为了将滤液中Al3+、Fe3+完全除去，应加入Ca（OH）2调节溶液的pH介于5~8.5[加入Ca（OH）2的过程中要边加边测定溶液的pH]，然后过滤即可制得CaCl2溶液。

【技巧点拨】无机工业流程题能够以真实的工业生产过程为背景，体现能力立意的命题为指导思想，为近年来高考的必考题型。

该类试题的解题思路为：

明确整个流程及每一部分的目的→仔细分析每步反应发生的条件以及得到的产物的物理或化学性质→结合基础理论与实际问题思考→注意答题的模式与要点。

基本方法和步骤为：

（1）从题干中获取有用信息，了解生产的产品。

（2）然后整体浏览一下流程，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，从以下几个方面了解流程：

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：

一切反应或操作都是为获得产品而服务。

易错点和难点是最后一问。

【对点训练】

1．（2020届山东省济南市高三上学期期末考试）硫酸渣（含Fe2O3、SiO2等）是指黄铁矿制硫酸后的残渣。

以硫酸渣为原料制备氧化铁黄（α-FeOOH）的一种工艺流程如图。

回答下列问题：

（1）“酸溶”过程中加快溶解的方法为________________（写出一种即可）。

（2）“滤渣X”的成分主要有SiO2和________________。

（3）若在实验室中进行上述流程，“洗涤”的方法是___；“研磨”所用的仪器是________。

（4）“还原”之后也可以采用如图流程来“沉铁”，“沉铁”过程中生成Fe（OH）2的离子方程式为_______________；若用过量CaCO3“沉铁”，则会生成FeCO3沉淀。

“沉铁”后

=__[已知Ksp（CaCO3）=2.8×10-9，Ksp（FeCO3）=2×10-11]。

【答案】

（1）加热、搅拌、粉碎固体、适当增大硫酸浓度

（2）S

（3）沿玻璃棒向漏斗中注入蒸馏水，使蒸馏水完全浸没沉淀，待液体流尽后，重复操作2-3次研钵

（4）Fe2++2HCO3-=Fe（OH）2↓+2CO2↑140

【解析】

（1）酸溶时，加热、搅拌或粉碎固体、适当增大硫酸浓度，可增大速率；

（2）“滤渣X”的成分主要有SiO2，加入FeS2将溶液中的Fe3+还原为Fe2+，还可能生成S单质；（3）“洗涤”的方法是沿玻璃棒向漏斗中注入蒸馏水，使蒸馏水完全浸没沉淀，待液体流尽后，重复操作2-3次，“研磨”所用的仪器是研钵；（4）沉铁”过程中生成Fe（OH）2的离子方程式为Fe2++2HCO3-═Fe（OH）2↓+2CO2↑，若用CaCO3“沉铁”，则生成FeCO3沉淀，当反应完成时，溶液中c

。

2．（2020届广东省中山市高三上学期期末统考）黄血盐[亚铁氰化钾，K4Fe（CN）6]目前广泛用作食品添加剂（抗结剂），我国卫生部规定食盐中黄血盐的最大使用量为10mg/kg。

一种制备黄血盐的工艺如下：

回答下列问题：

（1）步骤I反应的化学方程式为__________________________________。

（2）步骤IV过滤所得的废液中含量较多的溶质为______（填化学式）。

（3）步骤V是将难溶的K2CaFe（CN）6与X反应脱钙生成K4Fe（CN）6，所用的试剂X是_____。

（填名称）

（4）工艺中用到剧毒的HCN溶液，含CN-的废水必须处理后才能排放。

①25°C时Ka（HCN）=6.25×10-10；计算25℃时0.01mol•L-1的HCN溶液的pH=___________（lg2.5=0.4）。

②处理含CN-废水的方法：

第一步控制pH>10，用NaClO溶液先将CN-不完全氧化为OCN；第二步控制pH为7.5〜8.5，用NaClO溶液完全氧化OCN生成N2和两种盐（其中一种为酸式盐）。

第一步控制强碱性的主要目的是___________________________________，第二步反应的离子方程式为____________________。

【答案】

（1）3Ca（OH）2+FeSO4+6HCN=Ca2Fe（CN）6+CaSO4+6H2O

（2）CaCl2（KCl可答，也可不答）（3）碳酸钾

（4）①5.6②HCl有剧毒，防止生成HCN污染环境2OCN-+3ClO-+H2O=N2↑+3Cl-+2HCO3-

【解析】

（1）步骤Ⅰ中石灰乳、硫酸亚铁及过量HCN溶液混合可得Ca2Fe（CN）6，反应的化学方程式为3Ca（OH）2+FeSO4+6HCN=Ca2Fe（CN）6+CaSO4+6H2O；

（2）步骤Ⅵ过滤所得的废液中含量较多的溶质为CaCl2（或答CaCl2、KCl）；（3）步骤V目的是进行脱钙处理，降低溶液中Ca2+的含量，所用的试剂X是K2CO3；（4）①25°C时Ka（HCN）=6.25×10-10，根据平衡常数的含义，K=

=6.25×10-10，解得c（H+）=2.5×10-6mol/L，所以在25℃时0.01mol/L的HCN溶液的pH=-lg2.5×10-6=6-0.4=5.6；②第一步控制强碱性的主要目的是防止生成HCN，污染环境；第二步是用NaClO“不完全氧化”OCN-生成N2和两种盐，根据电子守恒、电荷守恒可知发生反应的离子方程式为2OCN-+3ClO-+H2O=N2↑+3Cl-+2HCO3-。

3．（2020年山东省济宁市高三上学期期末教学质量检测）明代《天工开物》记载了“火法”冶炼锌的方法：

“炉甘石十斤，装载入一泥罐内，…然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红，…冷淀，毁罐取出，…，即倭铅也”，现代工业开发了用NH3—NH4Cl水溶液浸出氧化锌烟灰（主要成分为ZnO、少量Pb、CuO和As2O3）制取高纯锌的工艺流程如图所示。

请回答下列问题：

（1）《天工开物》中炼锌的方法中“泥封”的目的是__________________________。

（2）滤渣1的主要成份分别是_______（填化学式），“过滤”用到的玻璃仪器是__________。

（3）“溶浸”时，氧化铜参与反应的相关离子方程式是____________________；“溶浸”时可以适当升高温度，但不宜过高，其原因是__________________________________。

（4）“氧化除杂”的目的是将AsCl52-转化为As2O5胶体，再经吸附聚沉除去，溶液始终接近中性，该反应的离子方程式是___________________________________。

（5）“电解”含[Zn（NH3）4]2+的溶液，阴极放电的电极反应式是_____________________。

阳极区产生一种无色无味的气体，将其通入滴有KSCN的FeCl2溶液中，无明显现象，该气体是_______（写化学式）。

【答案】

（1）防止得到的锌被氧化

（2）Pb烧杯、漏斗、玻璃棒

（3）CuO+2NH3+2NH4+=[Cu（NH3）4]2++H2O或CuO+2NH3∙H2O+2NH4+=[Cu（NH3）4]2++3H2O

避免氨水的分解与挥发

（4）2AsCl52-+2H2O2+6NH3·H2O=As2O5（胶体）+10Cl-+6NH4++5H2O或2AsCl52-+2H2O2+6NH3+H2O=As2O5（胶体）+10Cl-+6NH4+

（5）[Zn（NH3）4]2++2e-=Zn+4NH3↑N2

【解析】

（1）“火法”冶炼锌时，由于锌是比较活泼的金属，“泥封”的目的是防止锌被氧化；

（2）由以上分析可知滤渣1为Pb，“过滤”用到的玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒；（3）“溶浸”时，氧化铜加入氨水和氯化铵时，将氧化铜转化为[Cu（NH3）4]2+，反应的离子方程式为：

CuO+2NH3+2NH4+=[Cu（NH3）4]2++H2O或CuO+2NH3∙H2O+2NH4+=[Cu（NH3）4]2++3H2O；温度太高时，氨水易分解和挥发，所以温度不宜过高，可避免氨水的分解和挥发；（4）“氧化除杂”中，AsCl52−转化为As2O5胶体吸附聚沉除去，反应的离子方程式为2AsCl52-+2H2O2+6NH3·H2O=As2O5（胶体）+10Cl-+6NH4++5H2O或2AsCl52-+2H2O2+6NH3+H2O=As2O5（胶体）+10Cl-+6NH4+；（5）“电解”时Zn（NH3）42+在阴极放电，发生还原反应生成锌，电极反应式为：

[Zn（NH3）4]2++2e-=Zn+4NH3↑，阳极区放出一种无色无味的气体，将其通入滴有KSCN的FeCl2溶液中，无明显现象，说明气体没有氧化性，该气体是氮气。

4．（2020届广东省兴宁市第一中学高三上学期期末考试）氧化镁在易燃材料中常被用作阻燃剂，碳酸镁高温分解法是工业上制备轻质氧化镁的常用方法。

镁硅矿主要成分为Mg3（Si2O5）（OH）4和还有少量的Fe2O3、Al2O3等。

以镁硅矿为原料制备碳酸镁晶体（MgCO3•nH2O）的生产流程如下：

已知“焙烧”过程中的主要反应为：

Mg3（Si2O5）（OH）4＋5（NH4）2SO4

3MgSO4＋10NH3↑＋2SiO2＋7H2O↑＋2SO3↑

（1）Mg3（Si2O5）（OH）4用氧化物的形式表示为________________，焙烧产物NH3的电子式为_______________。

（2）为提高水浸速率，可采取的措施为_______________（任写一种）。

“浸渣”的主要成分为_______________。

（3）“除铝、铁”时，需将溶液pH调至8.0左右，适宜作调节剂的是__（填字母代号）。

a．Ca（OH）2b．Mg（OH）2c．NH3•H2O

（4）“沉镁”过程中反应的离子方程式为____________________________。

“沉镁”时若温度超过60℃，将会产生较多的碱式碳酸镁杂质，原因是_____________________________。

（5）流程中可以循环利用的物质是___（填化学式）。

（6）为测定产品MgCO3•nH2O中的n值，称取15.6g产品进行充分加热至恒重，冷却，称得固体质量为4g，则n＝_______________。

【答案】

（1）3MgO•2SiO2•2H2O

（2）将焙烧渣粉碎、加热或搅拌SiO2（3）bc

（4）Mg2++2HCO3-+（n－1）H2O=MgCO3·nH2O↓+CO2↑升温促进Mg2+水解

（5）（NH4）2SO4（6）3

【解析】

（1）化学式改写成相应的氧化物的形式，按照活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、SiO2、H2O的顺序来书写，Mg3（Si2O5）（OH）4用氧化物的形式表示为：

3MgO•2SiO2•2H2O；氨气为共价化合物，其电子式为：

；

（2）为提高水浸速率，可采取的措施有：

将焙烧渣粉碎、加热或搅拌等；石棉尾矿加入硫酸铵焙烧得到MgSO4、SiO2、Fe2O3、Al2O3，水浸，SiO2不溶于水形成浸渣；（3）“除铁、铝”时，需将pH调至8.0左右，选择不引入新杂质的试剂，故可选用Mg（OH） 2 或NH3•H2O；（4）“沉镁”过程中反应的离子方程式为：

Mg2++2HCO3-+（n-1）H2O=MgCO3•nH2O↓+CO2↑；升温促进Mg2+水解生成Mg（OH）2，Mg（OH）2与CO2反应生成碱式碳酸镁；（5）沉镁过程的滤液为（NH4）2SO4，可循环使用；（6）称取13.8gMgCO3•nH2O进行受热分解，MgCO2•nH2O受热分解生成MgO、CO2、H2O，最终剩余的固体为MgO4.0g，n（Mg）=

=0.1mol，则n（MgCO3）=n（Mg）=0.1mol，m（MgCO3）=8.4g，m（H2O）=13.8g-8.4g=5.4g，n（H2O）=

=0.3mol，1：

n=n（MgCO3）：

n（H2O）=0.1：

0.3，故n=3。