1、增分微课三 PART 03 工艺流程图的解读 增分典例探究提分强化训练 题型综述 专题三 工艺流程图的解读 增分典例探究 1.工艺流程图题思维主线:(1)规律:主线主产品,分支副产品,回头为循环(2)读流程图箭头:箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。三线:出线和进线均表示物料流向或操作流程,可逆线表示物质循环。方法概述 增分典例探究 2.化工流程题中表述性词汇“八大答题方向”化工生产流程和综合实验题中经常会出现一些表述性词语,这些表述性词语就是隐性信息,它可以暗示我们所应考虑的答题角度。常见的有:(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、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。方法概述 增分典例探究(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”降低物质溶解度有利于产品析出;洗涤沉淀:减少损耗和提高利
3、用率等。方法概述 增分点一 物质制备型工艺流程题 增分典例探究【解题策略】1.制备过程中原料预处理的 5 种常用方法看方法想目的研磨 减小固体的颗粒度,增大固体与液体或气体间的接触面积,加快反应速率水浸 与水接触反应或溶解酸浸 与酸接触反应或溶解,使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去灼烧 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,如煅烧高岭土增分典例探究 2.制备过程中控制反应条件的 6 种方法看方法想目的调节溶液的 pH 常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀控制温度 根据需要升温或降
4、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 改变反应速率,控制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增分典例探究 注意调节pH所需的物质一般应满足两点:能与H+反应,使溶液pH变大;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。增分典例探究 例 1 2017全国卷 Li4Ti5O12 和 LiFePO4 都是锂离子电池的电极材料,可利用钛铁矿(主要
5、成分为 FeTiO3,还含有少量 MgO、SiO2 等杂质)来制备,工艺流程如下:图 Z3-1回答下列问题:增分典例探究(1)“酸浸”实验中,铁的浸出率结果如图 Z3-2 所示。由图可知,当铁的浸出率为 70%时,所采用的实验条件为 。图 Z3-2(2)“酸浸”后,钛主要以 TiOC 形式存在,写出相应反应的离子方程式:。100、2 h,90、5 h增分典例探究(3)TiO2xH2O 沉淀与双氧水、氨水反应 40 min 所得实验结果如下表所示:温度/3035404550TiO2xH2O转化率/%9295979388分析 40 时 TiO2xH2O 转化率最高的原因 (4)Li2Ti5O15
6、中 Ti 的化合价为+4,其中过氧键的数目为 。低于40,TiO2xH2O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TiO2xH2O转化反应速率下降4增分典例探究(5)若“滤液”中 c(Mg2+)=0.02 molL-1,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加 1 倍),使 Fe3+恰好沉淀完全即溶液中 c(Fe3+)=1.010-5 molL-1,此时是否有 Mg3(PO4)2 沉淀生成?(列式计算)。FePO4、Mg3(PO4)2 的 Ksp 分别为 1.310-22、1.010-24。(6)写 出“高 温 煅 烧 ”中 由FePO4制 备LiFePO4的 化 学 方 程式
7、:。2FePO4+Li2CO3+H2C2O42LiFePO4+3CO2+H2O增分典例探究 解析(1)由图示知,在“酸浸”时,浸出率为 70%时的条件为 100、2 h 或 90、5 h。(2)利用信息知,“酸浸”时 FeTiO3 与 HCl 反应生成 TiOCl42-,然后结合原子守恒、电荷守恒可得反应的离子方程式为 FeTiO3+4H+4Cl-Fe2+TiOCl42-+2H2O。(3)当低于 40 时,随温度升高,反应速率加快,故温度低于 40 时,相同时间内,随温度升高 TiO2xH2O 转化率升高;当超过 40 时,H2O2 易分解与氨水易挥发,所以当温度高于 40 时,H2O2 的分
8、解与氨水的挥发使 TiO2xH2O 转化反应速率下降,在相同时间内,TiO2xH2O 转化率下降;因此,在 40 时 TiO2xH2O 转化率最高。(4)Li2Ti5O15 中 Li 为+1 价、Ti 为+4 价、O 为-2、-1 价(在O22-中O 为-1 价,且每个O22-中含有一个过氧键),设过氧键的数目为 x,利用原子守恒和化合物中正负化合价代数和等于 0 可得:(+1)2+(+4)5+(-1)2x+(-2)(15-2x)=0,解得 x=4。增分典例探究(5)加入磷酸后,因溶液体积增加 1 倍,此时溶液中 c(Mg2+)=0.01 molL-1。当 Fe3+恰好沉淀完全时,c(PO43
9、-)=1.310-221.010-5 molL-1=1.310-17 molL-1,此时溶液中c3(Mg2+)c2(PO43-)=(0.01)3(1.310-17)2=1.710-40KspMg3(PO4)2,因此不会生成Mg3(PO4)2 沉淀。(6)由流程图知,煅烧 FePO4、Li2CO3 和 H2C2O4 制得 LiFePO4,在反应过程中+3 价的 Fe 被还原,因此 H2C2O4 中+3 价的 C 必被氧化为+4 价的 C,依据得失电子守恒和原子守恒可得反应的方程式为 2FePO4+Li2CO3+H2C2O42LiFePO4+H2O+3CO2。增分典例探究 变式题 2017全国卷
10、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 FeOCr2O3,还含有硅、铝等杂质。制备流程如图 Z3-3 所示:图 Z3-3回答下列问题:(1)步骤的主要反应为FeOCr2O3+Na2CO3+NaNO3 Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2上述反应配平后 FeOCr2O3 与 NaNO3 的系数比为 。该步骤不能使用陶瓷容器,原因是 。27陶瓷在高温下会与Na2CO3反应增分典例探究(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
11、物质的溶解度如图 Z3-4 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 步骤的反应类型是 。图 Z3-4(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 。FeAl(OH)3小d复分解反应 增分典例探究 解析(1)通过化合价变化分析可知,FeOCr2O3 为还原剂,NaNO3 为氧化剂,1 mol FeOCr2O3参加反应时转移电子 7 mol,而 1 mol NaNO3参加反应时转移
12、电子 2 mol,由电子守恒可得,FeOCr2O3 和 NaNO3 的系数之比为 27。该步骤不能使用陶瓷容器的原因是SiO2 和 Na2CO3 在高温下发生反应 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2,会腐蚀陶瓷容器。(2)滤渣 1 的主要成分为 Fe2O3,还可能有未反应的 FeOCr2O3,所以滤渣 1 中含量最多的金属元素是 Fe。滤渣 2 应为 Al(OH)3 及含硅杂质。(3)由于步骤要实现平衡 2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O 右移,应使溶液的酸性增强,pH 减小。(4)要想使 K2Cr2O7结晶析出,而 Na2Cr2O7、NaCl、KCl 等留在溶液中,应选
13、择 K2Cr2O7 的溶解度最小且与其他物质的溶解度相差较大的温度,所以应选 10。步骤发生反应 Na2Cr2O7+2KCl K2Cr2O7+2NaCl,该反应属于复分解反应。增分典例探究(5)根据 Cr 守恒可得:Cr2O3 K2Cr2O7 152 294m1 kg40%m(K2Cr2O7)理论m(K2Cr2O7)理论=294140%152kg则产率=2 294 140%152100%=19021471100%。增分点二 物质分离、提纯型 增分典例探究【解题策略】1.把握物质提纯的“6 种”常用方法看目的选方法除去可溶性杂质水溶法除去碱性杂质酸溶法除去酸性杂质碱溶法除去还原性或氧化性杂质氧化
14、还原法除去受热易分解或易挥发的杂质加热灼烧法除去酸性 Cu2+溶液中的 Fe3+等调 pH 法增分典例探究 2.正确选择物质分离的“6 种”常用方法看目的选方法 分离难溶物质和易溶物,根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法过滤(热滤或抽滤)利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶 解 度 不 同 提 纯 分 离 物 质,如 用CCl4 或苯萃取溴水中的溴萃取和分液 提纯溶解度随温度变化不大的溶质,如 NaCl蒸发结晶增分典例探究 提纯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、CuSO45H2O、FeSO47H2O 等冷却结晶 分离沸点不同且互溶的液体混合
15、物,如分离乙醇和甘油蒸馏与分馏 利用气体易液化的特点分离气体,如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气冷却法(续)增分典例探究 例 2 2016全国卷 以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收 V2O5 既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为物质V2O5V2O4 K2SO4 SiO2 Fe2O3Al2O3质量分数/%2.22.92.83.122286065 121以下是一种废钒催化剂回收工艺路线:图 Z3-5增分典例探究 回答下列问题:(1)“酸浸”时 V2O5 转化为 V,反应的离子方程式为 ,同时 V2O4 转化成 VO2+。
16、“废渣 1”的主要成分是 。(2)“氧化”中欲使 3 mol 的 VO2+变为 V,则需要氧化剂 KClO3 至少为 mol。(3)“中 和”作 用 之 一 是 使 钒 以V4形 式 存 在 于 溶 液 中。“废 渣2”中 含有 。SiO20.5Fe(OH)3和Al(OH)3增分典例探究(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为 4ROH+V4R4V4O12+4OH-(ROH 为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率,淋洗液应该呈 (填“酸”“碱”或“中”)性。(5)“流出液”中阳离子最多的是 。(6)“沉 钒”得 到 偏 钒 酸 铵(NH4VO3)沉 淀,写 出“煅 烧”中 发 生 反 应
17、的 化 学 方 程式:。碱 K+2NH4VO3V2O5+2NH3+H2O增分典例探究 解析(1)“酸浸”时V2O5与硫酸反应,转化为VO2+,V的化合价不变,离子方程式为V2O5+2H+2VO2+H2O。“酸浸”时 SiO2 与硫酸不反应,而其他物质与硫酸反应或溶于硫酸,故“废渣 1”为 SiO2。(2)根据 VO2+VO2+,KClO3Cl-,由得失电子守恒,则 n(VO2+)=6n(KClO3),故n(KClO3)=16n(VO2+)=163 mol=0.5 mol。(3)“中和”时可以沉淀酸浸所得滤液中的 Fe3+、Al3+,则“废渣 2”中含有 Fe(OH)3 和 Al(OH)3。(4
18、)根据该反应,提高洗脱效率,使该平衡向逆反应方向移动,增大 c(OH-),则该平衡逆向移动,故淋洗液应该呈碱性。(5)根据该流程,氧化、中和操作中均引入了 K+,而其他阳离子 Fe3+、Al3+被沉淀,故“流出液”中阳离子最多的是 K+。(6)NH4VO3 中 V 为+5 价,“煅烧”时生成 V2O5,V 的化合价不变,则为非氧化还原反应,故化学方程式为 2NH4VO3 V2O5+2NH3+H2O。增分典例探究 变式题 2017天津卷 某混合物浆液含 Al(OH)3、MnO2 和少量 Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使 Na2CrO4 不易完全被水浸出,某研究小组利用设计的电解分离装置(见
19、图 Z3-6),使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液,并回收利用。回答和中的问题。图 Z3-6.固体混合物的分离和利用(流程图中的部分分离操作和反应条件未标明)固体混合物分离利用的流程图图 Z3-7增分典例探究(1)反应所加试剂 NaOH 的电子式为 ,B C 的反应条件为 ,C Al 的制备方法称为 。(2)该小组探究反应发生的条件。D 与浓盐酸混合,不加热,无变化;加热有 Cl2 生成,当反应停止后,固体有剩余,此时滴加硫酸,又产生 Cl2。由此判断影响该反应有效进行的因素有(填序号)。a.温度 b.Cl-的浓度 c.溶液的酸度(3)0.1 mol Cl2 与焦炭、TiO2 完全反应,生成
20、一种还原性气体和一种易水解成 TiO2xH2O 的液态化合物,放热 4.28 kJ,该反应的热化学方程式为加热(或煅烧)电解法 ac2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)TiCl4(l)+2CO(g)H=-85.6 kJmol-1增分典例探究.含铬元素溶液的分离和利用(4)用惰性电极电解时,Cr 能从浆液中分离出来的原因是,分离后含铬元素的粒子是 ;阴极室生成的物质为 (写化学式)。NaOH和H2增分典例探究 解析 从题意知,通过电解分离出含铬元素的溶液和固体混合物(氢氧化铝和二氧化锰);因Al(OH)3能够溶于 NaOH 溶液,故固体 D 是 MnO2,溶液 A 是 NaAlO2溶液,沉
21、淀 B 是 Al(OH)3,固体 C 是 Al2O3。.(1)NaOH 是离子化合物,其电子式为 Na+OH-。Al(OH)3 受热易分解:2Al(OH)3Al2O3+3H2O。电解熔融的 Al2O3 制取 Al 单质:2Al2O3(熔融)4Al+3O2。(2)MnO2 与浓盐酸反应的离子方程式:MnO2+4H+2Cl-Mn2+Cl2+2H2O。从题中信息可知,加热才能够发生,而反应终止后滴加硫酸又产生 Cl2,说明溶液的酸度也是影响该反应有效进行的因素。增分典例探究(3)从元素守恒的角度分析还原性气体应为 CO,即焦炭发生了氧化反应,则 Cl2 发生了还原反应,则 0.1 mol Cl2 发
22、生反应生成 0.05 mol 易水解的液态化合物 TiCl4,则生成 1 mol TiCl4 放出热量:4.28 kJ0.05mol=85.6 kJmol-1,故热化学方程式为 2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)TiCl4(l)+2CO(g)H=-85.6 kJmol-1。.(4)电解过程中,溶液中离子发生定向移动,CrO42-通过阴离子交换膜移向阳极区而分离出来。酸性条件下,存在如下平衡:2CrO42-+2H+Cr2O72-+H2O。电解时阴极放电的是 H+,电极反应式是 2H+2e-H2;阳极放电的是 OH-,电极反应式是 4OH-4e-2H2O+O2。提分强化训练 1.2017全
23、国卷 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 Z3-8 所示:图 Z3-8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。将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+H2O2提分强化训练(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
24、过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为 Mn+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 molL-1 的 KMnO4 溶液 36.00 mL,则该水泥样品中钙的质量分数为 。SiO2(或H2SiO3)SiO2+4HF SiF4+2H2O(或H2SiO3+4HF SiF4+3H2O)防止胶体生成,易沉淀分离 Al(OH)3Fe(OH)345.0%解析(1)Fe3+在 pH 较小时容易沉淀,所以加入 HNO3 的目的是将溶解液中可能存在的 Fe2+氧化为 Fe3+;H2O2 将 Fe2+氧化为 Fe3+时不会引入杂质,故可利
25、用 H2O2 来替代 HNO3 作氧化剂氧化 Fe2+。(2)根据水泥的成分和相关的反应可知,沉淀为不溶于盐酸、硝酸的 SiO2;SiO2 与弱酸 HF 反应的化学方程式为 SiO2+4HF SiF4+2H2O。(3)加氨水能使金属阳离子生成氢氧化物沉淀,加热能使生成的微量胶体聚沉,故加氨水过程中加热的目的是防止胶体生成,易沉淀分离;加氨水前滤液中有四种金属阳离子,它们形成的碱的碱性由弱到强的顺序是 Fe(OH)3、Al(OH)3、Mg(OH)2、Ca(OH)2,因此加热生成沉淀的主要成分是前两种:Fe(OH)3、Al(OH)3。(4)根据反应化学方程式可知 5Ca2+5H2C2O42KMnO
26、4,因此 n(KMnO4)=0.050 0 mmol/mL36.00 mL=1.80 mmol,n(Ca2+)=4.50 mmol,因此水泥样品中钙的质量分数为4.50 mmol 0.040 gmmo l-10.400 g100%=45.0%。提分强化训练 提分强化训练 2.2016全国卷 高锰酸钾(KMnO4)是一种常用氧化剂,主要用于化工、防腐及制药工业等。以软锰矿(主要成分为 MnO2)为原料生产高锰酸钾的工艺路线如下:图 Z3-9回答下列问题:(1)原料软锰矿与氢氧化钾按 11 的比例在“烘炒锅”中混配,混配前应将软锰矿粉碎,其作用是 。(2)“平炉”中发生反应的化学方程式为 。(3)
27、“平炉”中需要加压,其目的是 。增大反应物接触面积,加快反应速率,提高原料利用率 2MnO2+4KOH+O22K2MnO4+2H2O提高氧气的压强,加快反应速率,增加软锰矿转化率 提分强化训练(4)将 K2MnO4 转化为 KMnO4 的生产有两种工艺。“CO2 歧化法”是传统工艺,即在 K2MnO4 溶液中通入 CO2 气体,使体系呈中性或弱酸性,K2MnO4 发生歧化反应。反应中生成 KMnO4、MnO2 和 (写化学式)。“电解法”为现代工艺,即电解 K2MnO4 水溶液,电解槽中阳极发生的电极反应为 ,阴极逸出的气体是 。“电解法”和“CO2 歧化法”中,K2MnO4 的理论利用率之比
28、为 。(5)高锰酸钾纯度的测定:称取 1.080 0 g 样品,溶解后定容于 100 mL 容量瓶中,摇匀。取浓度为0.200 0 molL-1 的 H2C2O4 标准溶液 20.00 mL,加入稀硫酸酸化,用 KMnO4 溶液平行滴定三次,平均消耗的体积为 24.48 mL。该样品的纯度为 (列出计算式即可,已知 2MnO4-+5H2C2O4+6H+2Mn2+10CO2+8H2O)。KHCO3H232提分强化训练 解析(1)结合题干信息可知将软锰矿粉碎,能增大与 KOH 的接触面积,加快化学反应速率,提高软锰矿的转化率。(2)根据流程图可知在“平炉”中 MnO2、KOH 和 O2 混合加热得
29、到K2MnO4,可写出化学方程式。(3)“平炉”中加压,能增大 O2 浓度,加快反应速率,以提高软锰矿的转化率。(4)结合题中信息,可写出该歧化法的化学方程式为3K2MnO4+4CO2+2H2O2KMnO4+MnO2+4KHCO3,则所得另一产物应为 KHCO3。电解时阳极 MnO42-失去电子发生氧化反应生成 MnO4-,阴极是溶液中 H+得电子生成 H2。提分强化训练 电解法中 MnO42-完全转化为 MnO4-,而歧化法中有23的 MnO42-转化为 MnO4-,即两种方法中 K2MnO4 的理论利用率之比为 123=32。(5)根据关系式 2MnO4-5H2C2O4,以及滴定0.200 0 mol/L H2C2O4 标准溶液 20.00 mL 平均消耗 KMnO4 溶液 24.48 mL,可求出c(KMnO4)=0.200 020.0010-32524.4810-3mol/L,则样品中 m(KMnO4)=0.200 020.0010-32524.4810-3mol/L0.1 L158 g/mol,其纯度为20.0010-30.200 025 10024.481581.080 0100%。
