无机工业流程.docx

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无机工业流程

专题2　无机工业流程

1．工业流程题结构

化学工艺流程题结构一般包括题头、题干和题尾三部分。

题头一般比较简单；介绍以何种物质（主要成分是什么，含什么杂质等，要注意一些关键信息）为原料制备哪种物质，以及物质的性质和用途。

题干部分则是工业制备的简化工艺流程图。

题尾部分则是根据工业生产流程中涉及到的化学知识命题者精心设计的系列问题。

对于学生解题需要的未学过的信息在三个部分都有可能出现，审题时须全盘考虑。

要明确流程图中箭头方向和代表的含义。

流程图中箭头进入的是反应物（投料），箭头出去的是生成物（产物、副产物），返回的箭头一般是“循环利用”的物质。

要读懂流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息，并在下一步分析和解题中随时进行联系和调用。

要带着问题精心研究各步反应原理和操作目的，明确所需解答的问题，不纠缠于无关步骤。

2．化学工艺流程图特点

化学工艺流程一般可划分为前期的原料预处理、中期的核心反应和后期的产品分离提纯三个阶段，整个流程都需要控制反应条件为获取产品服务。

分析流程图的规律是：

主线主产品，分支副产品，回头为循环（如下图所示）。

3．工业流程题解题思路和方法

掌握化工生产流程题的解题思路和方法，注意试题设问的角度，①生产的目的、设计的原理、生产流程的作用等；②化学反应条件控制的原理；③实验基本操作；④资源的回收和利用；⑤“绿色化学”生产、环境保护等。

4．熟悉工业流程常见的考点

（1）原料预处理阶段的常见考点

①研磨、粉碎、喷洒：

可增大反应物的接触面积，加快反应速率，提高原料的利用率。

②溶解：

通常用酸溶（如用硫酸、盐酸等）、碱溶、水溶等。

水浸：

与水接触反应或溶解。

浸出：

固体加水（酸）溶解得到离子。

酸浸：

在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去的溶解过程。

③灼烧、焙烧、煅烧：

改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质高温下氧化、分解。

（2）分离提纯阶段的常见考点

①调节溶液pH除杂：

a．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。

b．调节pH所需的物质一般应满足两点：

能与H＋反应，使溶液pH增大；不引入新杂质。

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。

②控制温度：

加热：

加速溶解、加快反应速率。

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NaHCO3、NH4HCO3、H2O2等物质。

降温：

防止某物质在高温时会溶解或分解。

控制温度在一定范围内：

综合多方面因素的考虑，如使反应速度不致于太慢、防止反应物分解、防止副反应、使催化剂的催化活性最高等。

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，则要根据它们的溶解度随温度升高而改变的情况，寻找合适的结晶分离方法（蒸发结晶或浓缩结晶）。

（3）获得产品阶段的常见考点

①洗涤（冰水、热水、乙醇等有机溶剂）：

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。

无水乙醇的作用：

减少产品的损耗；除去固体表面的杂质；使产品快速干燥（特别适合于带结晶水晶体等对热不稳定的晶体，其他晶体通常晾干、低温烘干）。

判断沉淀（晶体）是否洗涤干净的方法：

必须是沉淀（晶体）组成之外的离子。

可根据沉淀中可能存在的某一离子，其步骤为

a．取最后一次洗涤液少许于试管中——取样；

b．加入××（试剂）——加试剂；

c．若无沉淀生成——现象；

d．则说明沉淀已洗涤干净——结论。

②蒸发浓缩、冷却结晶：

如除去KNO3中的少量NaCl。

（4）循环操作与副产物利用

物质的循环利用：

提高原料的利用率，降低生产成本。

对可逆反应：

可将未转化的反应物分离出来后送入反应器重新反应。

如合成氨反应是可逆反应，分离氨后的尾气中还含有大量原料气N2和H2，可送入合成塔实施循环生产。

若某种物质在流程中既是辅助原料又是副产品（既流进又流出），则考虑循环利用。

注意某些隐性存在物质；在循环操作中因累积导致浓度过高，可能会影响产品的纯度。

（5）环境保护

尾气处理、废渣废液处理：

绿色化学，防止环境污染。

例1

　高氯酸钠可以用于制备火箭推进剂高氯酸铵。

以粗盐为原料制备高氯酸钠晶体（NaClO4·H2O）的流程如下：

（1）“精制”中，由粗盐（含Ca2＋、Mg2＋、SO

－等杂质）制备精制盐水时需用到NaOH、BaCl2、Na2CO3等试剂。

加入Na2CO3溶液的作用____________。

（2）“电解”分2步进行，其反应分别为NaCl＋3H2O

NaClO3＋3H2↑　NaClO3＋H2O

NaClO4＋H2↑

（3）“除杂”的目的是除去少量未被电解的NaClO3，该反应的化学方程式为：

____________。

（4）“分离”的操作分别是加热浓缩、____________、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。

（各物质的溶解度如右图所示）

（5）室温下将得到的高氯酸钠晶体加入氯化铵饱和溶液中，反应的离子方程式为：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析　

（1）在粗盐精制的操作中，加入的碳酸钠要放在加入氯化钡溶液之后，这样碳酸钠会与Ca2＋反应生成碳酸钙，也会除去反应剩余的氯化钡，所以加入Na2CO3溶液的作用是除去Ca2＋和过量的Ba2＋。

（3）根据流程图可以看出，SO2与NaClO3反应生成ClO2和Na2SO4，反应的化学方程式为2NaClO3＋SO2===2ClO2＋Na2SO4。

（4）根据各物质的溶解度示意图可知，高氯酸钠的溶解度随温度的变化较大，则由溶液得到高氯酸钠晶体（NaClO4·H2O）的操作为加热浓缩、趁热过滤、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥等。

（5）因为室温下，高氯酸铵的溶解度较小，所以将高氯酸钠晶体加入到氯化铵饱和溶液中生成高氯酸铵晶体，反应的离子方程式为ClO

＋NH

===NH4ClO4↓。

答案　

（1）除去Ca2＋和过量的Ba2＋

（3）2NaClO3＋SO2===2ClO2＋Na2SO4

（4）趁热过滤　（5）ClO

＋NH

===NH4ClO4↓

方法点拨　工艺流程题对策

（1）先看问题后读正文。

做到问题心中有数，相关信息随手画出。

每一个信息几乎都有用，解答中若题给信息未用全，要反复斟酌解答思路是否合理，力求与信息吻合，提高得分率。

（2）针对问题全力寻找突破口。

阅读新信息后，看是否能直接解题。

若不能，要默默思索建立已有知识和解题所需知识间的衔接桥梁。

（3）由点到面，扩大成果。

每个信息给予题一般会提出若干个问题，它们彼此间或许是平行的，或许是连环式的，要弄清题与题间的关系，逐步攻克。

（4）方案优劣比较：

一般需要考虑步骤多少，价格问题，原子利用率问题如产率高低，是否满足绿色化学要求，是否可以循环利用，三废处理是否符合要求。

例2

　亚氯酸钠（NaClO2）是一种重要的含氯消毒剂，主要用于水的消毒以及砂糖的漂白和杀菌，其一种生产工艺流程如下：

回答下列问题：

（1）写出“反应”步骤中生成ClO2的化学方程式：

_____________________________________

________________________________________________________________________。

（2）“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________、______________________________________________________________。

（3）亚氯酸钠（NaClO2）在水溶液中可生成ClO2、HClO2、ClO

、Cl－等，其中HClO2和ClO2都具有漂白作用。

经测定，25℃时各组分含量随pH变化情况如图所示（Cl－没有画出）。

则使用该漂白剂的适宜pH________（填“大于”“等于”或“小于”）3。

解析　本题考查化学工艺流程，涉及反应方程式的书写、物质的除杂和提纯等知识。

（1）生成ClO2时，需要的反应物是H2SO4、SO2、NaClO3，产物是NaHSO4、ClO2，可以写成NaClO3＋SO2＋H2SO4―→NaHSO4＋ClO2，NaClO3中Cl的化合价由＋5价→＋4价，化合价降低1价，SO2中S的化合价由＋4价→＋6价，化合价升高2价，最小公倍数为2，即NaClO3、ClO2的系数均为2,2NaClO3＋SO2＋H2SO4―→NaHSO4＋2ClO2，根据原子守恒，NaHSO4的系数为2，反应方程式为2NaClO3＋SO2＋H2SO4===2NaHSO4＋2ClO2。

（2）除去杂质，不能引入新的杂质，除去Mg2＋用NaOH溶液，除去Ca2＋用Na2CO3溶液。

（3）选择适宜的pH，应是ClO

的浓度最小，即pH<3。

答案　

（1）2NaClO3＋SO2＋H2SO4===2NaHSO4＋2ClO2　

（2）NaOH　Na2CO3　（3）小于

方法点拨　新情景条件下氧化还原反应方程式、离子方程式的书写

（1）根据工艺流程图信息正确判断出反应物和生成物。

（2）根据氧化还原反应得失电子守恒配平相关物质的计量数。

（3）根据反应的条件（溶液的酸碱性）在方程式两边补充H＋、OH－、H2O。

（4）根据元素守恒或电荷守恒配平。

1．（2016·江苏学测节选）亚硫酸钠在印染、造纸等众多行业中有着广泛的应用。

研究小组用Na2CO3溶液吸收SO2制备Na2SO3。

其实验流程如下：

查阅资料可知，向碳酸钠溶液通入二氧化硫的过程中，溶液中有关组分的质量分数变化如下图是所示。

（1）上图中的线2表示的组分为____________（填化学式）。

（2）实验时，“反应Ⅱ”中加入NaOH溶液的目的是____________________________________

________________________________________________________________________（用化学方程式表示）。

答案　

（1）Na2SO3

（2）NaHSO3＋NaOH===Na2SO3＋H2O

解析　

（1）向碳酸钠溶液中通入二氧化硫，反应如下：

SO2＋Na2CO3===Na2SO3＋CO2①，SO2＋Na2SO3＋H2O===2NaHSO3②；

由方程式可知，Na2SO3先增加后减少。

故线2表示的组分为Na2SO3。

由图像中的曲线可以看出，一旦有Na2SO3（曲线2）生成，反应①②将平行反应，当Na2CO3（曲线1）和Na2SO3都反应完全，反应①②停止，NaHSO3的量达到最大值，继续通入SO2，溶液中SO2（或H2SO3）（曲线4）的量逐渐增多，NaHSO3（曲线3）的量后来有所减少，有可能是部分被氧化导致，因而最终的产品会混有Na2SO4。

（2）“反应Ⅱ”中加入NaOH溶液的目的是将NaHSO3转化为Na2SO3，反应方程式如下：

NaHSO3＋NaOH===Na2SO3＋H2O（主要）；SO2＋2NaOH===Na2SO3＋H2O（次要）。

2．（2014·江苏学测）碱式次氯酸镁[Mg2ClO（OH）3·H2O]微溶于水，不吸湿，相对稳定，是一种有开发价值的无机抗菌剂。

某研发小组通过下列流程制备碱式次氯酸镁：

（1）从上述流程中可以判断，滤液中可回收的主要物质是________。

（2）NaClO溶液用Cl2与NaOH溶液反应获得，写出该反应的化学方程式：

________________________________________________________________________。

（3）有效氯的含量是衡量次氯酸盐氧化能力的重要指标。

次氯酸盐的有效氯含量可用次氯酸盐与盐酸反应所生成的氯气的含量来表示：

ClO－＋Cl－＋2H＋===Cl2↑＋H2O

有效氯含量＝

×100%

若测得某碱式次氯酸镁产品中镁含量为29.01%，有效氯含量为40.28%。

①通过计算判断该产品中镁和有效氯含量的测定值与理论值相比，是偏高或偏低？

（写出计算过程）

②根据你的判断，推测产品中可能含有的杂质，并给出制备过程能减少产品中含有该杂质的措施。

答案　

（1）NaCl

（2）Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O

（3）①Mg2ClO（OH）3·H2O的式量为168.5，

Mg2ClO（OH）3·H2O中镁含量的理论值：

×100%≈28.49%，产品中镁含量的测定值为29.01%，大于28.49%，比理论值偏高。

由Mg2ClO（OH）3·H2O～ClO－～Cl2

Mg2ClO（OH）3·H2O中有效氯含量的理论值：

×100%≈42.14%，产品中有效氯含量的测定值为40.28%，小于42.14%，比理论值偏低。

②由于产品中有效氯含量偏低而镁含量偏高，据此推测产品中可能含有Mg（OH）2等杂质。

在形成沉淀的过程中加速搅拌、缓缓滴加NaOH溶液等（答出一点即可）

解析　

（1）氯化镁中加入次氯酸钠和氢氧化钠，氯离子和钠离子一直在溶液中，故可以回收的物质主要是氯化钠。

（3）根据产品的化学式可以计算出镁含量的理论值、有效氯含量的理论值，产品中镁的测定值大于理论值，有效氯含量低于理论值，说明含有镁的质量分数大于碱式次氯酸镁中镁的质量分数，含有有效氯的质量分数小于碱式次氯酸镁中的质量分数，据此可以推测样品中含有氢氧化镁杂质（氢氧化镁中镁的含量是41.38%、氯化镁中镁的含量是25.26%、次氯酸镁中镁的含量是18.90%，有效氯含量是111.8%）。

为了减少氢氧化镁的生成，应该缓慢滴入氢氧化钠，或在形成沉淀的过程中加速搅拌等。

3．卤块的主要成分是MgCl2，此外还含Fe3＋、Fe2＋和Mn2＋等离子。

若以它为原料按下图所示工艺流程进行生产，可制得轻质氧化镁（已知其中有一种中间产物是MgCO3）。

若要求产品尽量不含杂质，而且生产成本较低，根据表1和表2提供的资料，填写空白：

表1　生成氢氧化物沉淀的pH

物质

开始沉淀

沉淀完全

Fe（OH）3

2.7

3.7

Fe（OH）2

7.6

9.6

Mn（OH）2

8.3

9.8

Mg（OH）2

9.6

11.1

表2　原料价格表

物质

价格/元·吨－1

漂液（含25.2%NaClO）

450

双氧水（含30%H2O2）

2400

已知：

Fe2＋氢氧化物呈絮状，不易从溶液中除去，常将它氧化为Fe3＋，生成Fe（OH）3沉淀除去。

（1）在步骤②中加入的试剂X，最佳的选择是________，其反应的离子方程式是________________________。

（2）在步骤③中需要控制pH＝9.8，其目的是___________________________________________

________________________________________________________________________；

在步骤④中加入的试剂Y应是________。

（3）在步骤⑤中发生的化学方程式是________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）NaClO　2Fe2＋＋ClO－＋2H＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O

（2）使除Mg2＋以外的各种杂质金属离子都成为氢氧化物沉淀以便除去　Na2CO3

（3）MgCO3＋H2O

Mg（OH）2＋CO2↑

解析　

（1）步骤②是为了将Fe2＋氧化成Fe3＋，并在控制合适的pH条件时生成Fe（OH）3沉淀而除去。

虽然漂液和H2O2都可采用，但对比表2提供的原料价格可以看出，漂液比H2O2的价格低得多，所以选漂液最合理。

根据电子守恒、电荷守恒及原子守恒，可得该反应的离子方程式是2Fe2＋＋ClO－＋2H＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O。

（2）步骤③的目的在于使除Mg2＋以外的各种杂质金属离子都生成氢氧化物沉淀，以便通过过滤而除去，应加入NaOH，如加入纯碱，不能达到较高的pH，且易生成碳酸镁沉淀，分析表1提供的数据：

除去杂质离子合理的pH范围是3.7＜pH＜9.8，在此范围内，如果pH过高，就会有大量的Mg2＋生成Mg（OH）2而进入沉淀中，从而导致生产成本的提高。

为了兼顾产品质量和生产成本，选择pH＝9.8最合理，当然此时Mg2＋也会部分生成Mg（OH）2沉淀，但由于卤块价格低廉，这点不可避免的损失还是可以承受的，以此保证产品的纯度值得。

步骤④的目的是将Mg2＋从溶液中沉淀出来。

从MgCl2制得MgO，有两种可行的方法，一种是向溶液中加入烧碱，另一种方法是向溶液中加入纯碱，此处选用后一种方法更合理。

一方面，加烧碱生成的中间产物Mg（OH）2是胶状沉淀，会造成过滤困难，更重要的是反应过程中不能进行轻化处理，只能得到重质氧化镁；加纯碱生成的中间产物MgCO3呈粗颗粒状，易过滤，MgCO3在水中经一段时间的加热会有部分反应生成CO2，由于CO2气体的产生，使沉淀变得疏松，灼烧沉淀后得到的是轻质氧化镁。

另一方面，纯碱比烧碱价格低得多，采用纯碱路线既合理又经济。

（3）步骤⑤中反应的化学方程式为MgCO3＋H2O

Mg（OH）2＋CO2↑。

4．综合利用海水可以制备食盐、纯碱、金属镁等物质，其流程示意图如下：

（1）在上述反应①～⑤中，没有涉及的化学反应类型是__________（填字母）。

A．分解反应B．化合反应

C．复分解反应D．置换反应

（2）写出反应③的离子方程式_______________________________________________。

（3）粗盐中含有Na2SO4、MgCl2、CaCl2等可溶性杂质，为制得纯净的NaCl晶体，操作如下：

①溶解；

②依次加入过量的BaCl2溶液、NaOH溶液、______________；

③过滤；

④______________；

⑤蒸发结晶。

其中加入过量氯化钡溶液的目的是____________________________________________。

（4）X溶液中的主要阳离子是Na＋和________。

（5）检验纯碱样品中是否含NaCl应选用的试剂是________________。

答案　

（1）D

（2）Mg（OH）2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O

（3）②Na2CO3溶液　④在滤液中加适量盐酸调节溶液pH至7　使溶液中SO

转化为沉淀而除去

（4）NH

（5）AgNO3溶液、稀硝酸

解析　

（1）反应①是化合反应，②③属于复分解反应，④属于分解反应、氧化还原反应，⑤属于分解反应。

（2）反应③是酸碱中和反应，Mg（OH）2不溶于水写成化学式。

（3）BaCl2溶液与Na2SO4反应生成硫酸钡沉淀；NaOH溶液与MgCl2反应生成氢氧化镁沉淀；CaCl2与Na2CO3溶液反应生成碳酸钙沉淀；过滤后的溶液含有氢氧化钠和碳酸钠杂质，除去沉淀后再加盐酸除去氢氧化钠和碳酸钠，然后通过蒸发结晶得到氯化钠晶体；氯化钠、氨气、二氧化碳、水反应生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵。

（5）检验纯碱样品中是否含NaCl，即检验是否存在氯离子。

5．（2017·南京学测模拟）硫酸镁晶体（MgSO4·7H2O）是一种重要的化工原料，可用作制革、炸药、造纸、瓷器等。

以菱镁矿（主要成分是碳酸镁，含少量FeCO3和不溶性杂质）为原料制取硫酸镁晶体的流程如下：

已知：

部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见下表：

阳离子

Mg2＋

Fe2＋

Fe3＋

开始沉淀

9.1

7.6

1.9

完全沉淀

11.1

9.7

3.2

（1）“氧化”步骤中，加入H2O2溶液的目的是（用离子方程式表示）________________________________________________________________________。

“沉淀”步骤中，用氨水调节pH的范围是_______________________________________。

（2）“过滤”所得滤液中含有的阳离子为Mg2＋、________。

（3）“结晶”步骤中需蒸发浓缩滤液，使用的实验仪器有铁架台（含铁圈）、酒精灯、玻璃棒、________。

答案　

（1）2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O

3．2≤pH<9.1　

（2）NH

　（3）蒸发皿

解析　菱镁矿溶于稀硫酸得到硫酸镁和硫酸亚铁的混合溶液，过滤除去不溶物，滤液中滴加双氧水氧化溶液中的Fe2＋得到Fe3＋，滴加氨水调节溶液pH，得到Fe（OH）3沉淀，过滤后将滤液蒸发浓缩并冷却结晶，得到硫酸镁晶体。

（1）加入H2O2溶液的目的是氧化溶液中的Fe2＋，发生反应的离子方程式为2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O；“沉淀”步骤中，用氨水调节pH的目的是使Fe3＋完全沉淀，而Mg2＋不沉淀，则pH的范围是3.2≤pH<9.1。

（2）因滴加氨水后再“过滤”，所得滤液中含有的阳离子除Mg2＋外还有NH

。

（3）“结晶”操作中溶液在蒸发皿中加热，同时需要使用玻璃棒搅拌液体，则除铁架台（含铁圈）、酒精灯、玻璃棒外，还需要蒸发皿。

6．（2017·连云港学测模拟）化学实验室产生的废液中含有大量会污染环境的物质，为了保护环境，化学实验室产生的废液必须经处理后才能排放。

某化学实验室产生的酸性废液中含有Fe3＋、Cu2＋、Ba2＋三种金属阳离子和Cl－一种阴离子，实验室设计了下述方案对废液进行处理，以回收金属并测定含量，保护环境。

已知实验中处理的酸性废液的体积为1L，用pH计测定出其中H＋物质的量浓度为0.10mol·L－1。

请回答下列问题：

（1）实验中操作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的方法相同，操作步骤依次为过滤、________、干燥。

（2）“氧化”步骤所得溶液颜色为棕黄色，该反应的离子方程式为_____________________。

（3）实验中称量固体Ⅰ的质量为4.66g，固体Ⅱ的质量为15.2g，用足量的稀硝酸溶解固体Ⅱ后产生了标准状况下的无色气体4.48L，则固体Ⅱ中金属铜的质量为________________________________________________________________________g。

（4）实验中将固体Ⅲ进行充分灼烧，使用仪器除了酒精灯、三脚架、泥三角、玻璃棒外，还有________（填名称）。

最后得到的红棕色固体质量为40.0g，则原溶液中氯离子的物质的量浓度为________________________________________________________________________。

答案　

（1）洗涤

（2）2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O

（3）9.6

（4）坩埚　1.04mol·L－1

解析　在含有Fe3＋、Cu2＋、Ba2＋和Cl－的酸性废液中滴加过量Na2SO4溶液后，通过操作Ⅰ的过滤、洗涤并干燥可得BaSO4沉淀；滤液中加入过量Fe粉可还原