专题15化学工艺流程题解法指导

第2讲化学工艺流程题解法指导一、命题特点化学工艺流程试题是新课程高考催生的一种新型题型,也是广东高考试题的特色之一。化学工艺流程试题就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工工艺试题。工艺流程题的结构分题头、题干和题尾三部分:题头一般是简单介绍该工艺生产的原材料和工艺生产的目的(包括副产品);题干部分主要用框图形式将原料到产品的主要生产工艺流程表示出来;题尾主要是根据生产过程中涉及的化学知识设置成系列问题,构成一道完整的化学试题。高考中“化学工艺流程试题”命题内容广泛,密切联系生产、生活实际,设问方式灵活,充分体现了“化学是真实的”的命题指导思想,主要特征如下:(1)以化工生产为背景,用框图的形式表述生产流程,主题内容广泛,密切联系生产、生活实际,题材丰富。(2)工艺流程所包含的学科知识比较基础,具有一定的代表性和典型性,流程图中可能出现超纲知识,但试题设问时不会涉及。(3)解答流程题不必将图中每一种物质都推出,一般是问什么推什么。试题的设问一般没有“连带效应”,即前一问不会回答没关系,不影响后面回答问题。主要考查学生对已学知识的掌握、理解、迁移、转换、重组和解决实际问题的能力。二、解题策略1.明确目的,提取有用信息:题头一般是简单介绍该工艺生产的原材料和工艺生产的目的(包括副产品),以及提供一些课本上未出现过但题中必须要用到的信息。通过阅读题头,了解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,进而明确生产目的——制备什么物质,找到制备物质时所需的原料及所含杂质,提取出所给的相关信息——物质反应方程式、物质稳定性、物质溶解性等。2.分析流程,弄清各步作用:首先对比分析生产流程示意图中的第一种物质原材料与最后一种物质产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产流程过程中原料转化为产品的过程中依次进行了什么反应?每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物?杂质是否要除去,采用什么操作方法除去?采取这样的方法,其目的是什么?3.看清问题,准确规范作答:无论流程如何陌生复杂,最终命题者设置的问题仍然是课本、考纲所要求掌握的知识点而已。大多数问题用所学知识便可直接回答,但个别地方往往有悖所学知识,这时就要考虑产物、环保、产量、成本等等。所以答题时要看清所问问题,不能答非所问,要注意语言表达的科学性,如不能将离子方程式写成化学方程式、方程式要配平、分清实验操作名称还是具体操作步骤等等。三、解题方法1.首尾分析法:对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙生产工序)试题,首先对比分析生产流程示意图中的第一种物质原材料与最后一种物质产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产流程过程中原料转化为产品的基本原理和除杂分离提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答。2.截段分析法:对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工艺流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点。3.交叉分析法:有些化工生产选用多组原材料,事先合成一种或几种中间产品,再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品。以这种工艺生产方式设计的工艺流程题,为了便于分析掌握生产流程的原理,方便解题,最简单的方法,就是将提供的工艺流程示意图划分成几条生产流水线,上下交叉分析。4.“瞻前顾后”分析法:有些化工生产,为了充分利用原料,变废为宝,设计的生产流水线除了主要考虑将原料转化为产品外,同时还要考虑将生产过程的副产品转化为原料的循环生产工艺。解答这类题,可以用“瞻前顾后”分析法。瞻前顾后分析法,指分析工艺生产流程时,主要考虑原料转化为哪种产品(瞻前),同时也要考虑原料的充分利用和再生产问题(顾后)。四、题型归纳1.以实验操作构建流程【典例讲评】七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)是一种重要的食品或饲料添加剂、颜料及电子工业的原材料。其实验室中常采用如下流程来制备:回答下列问题:(1)向废铁屑中加入热Na2CO3溶液的目的是。(2)加入“过量稀硫酸”的实验操作明显不合理,原因是。(3)某同学认为铁屑与硫酸反应不需要精确温度,因此不必使用热水浴加热,可改用酒精灯直接加热来维持反应温度,该做法的不妥之处是。(4)“趁热过滤”后的滤液有时略显黄色,其原因是(用离子方程式表示)。(5)已知硫酸亚铁的溶解度(S)随温度变化的曲线如图所示:若需从硫酸亚铁溶液中结晶出FeSO4·4H2O,应控制结晶和过滤的温度(t)范围为。解析:(1)结合实验目的、流程可知向废铁屑中加入热碳酸钠溶液的目的是利用溶液的碱性,促进油污水解,以除去废铁屑表面的油污。(2)硫酸过量,铁完全转化为Fe2+,在此环境中易被氧化成Fe3+而无法制得纯净的硫酸亚铁。(3)采用酒精灯直接加热,一是不易控制反应温度,二是因反应中有氢气生成,明火加热可能引起爆炸。(4)滤液显黄色,是因为过滤时Fe2+被空气中的O2氧化成Fe3+的结果。(5)由图知硫酸亚铁饱和溶液温度在56.6~64℃之间时,溶液中析出的晶体是FeSO4·4H2O。答案:(1)除去废铁屑表面的油污(2)应该铁屑过量(或反应后溶液中必须有铁剩余),否则酸性条件下Fe2+易被氧化为Fe3+(3)直接加热不易控制反应所需要的温度,温度过高时Fe2+易被氧化,同时由于反应中有氢气生成,明火加热不安全(4)4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O(5)56.6℃t64℃【知识归纳】结晶的几种方法:(1)当溶液是单一溶质时,若所得晶体不带结晶水(如NaCl、KNO3):蒸发、结晶;若所得晶体带结晶水(如CuSO4·5H2O、莫尔盐):蒸发浓缩(至有晶膜出现),冷却结晶,过滤。(2)当溶液中有两种或两种以上溶质时,若要得到溶解度受温度影响小的溶质:浓缩(结晶),趁热过滤;若要得到溶解度受温度影响大的溶质:蒸发浓缩,冷却结晶。变式练习1现代循环经济要求综合考虑环境污染和经济效益。高纯氧化铁可作现代电子工业的材料,以下是用硫铁矿烧渣(主要成分为Fe2O3、Fe3O4、FeO、SiO2)为原料制备高纯氧化铁(软磁αFe2O3)的生产流程示意图:(1)步骤Ⅰ中过滤所得滤渣的主要成分是。(2)步骤Ⅱ中加入铁粉的目的是。(3)步骤Ⅲ中可选用试剂调节溶液的pH(填标号)。A.稀硝酸B.双氧水C.氨水D.高锰酸钾溶液(4)写出在空气中煅烧FeCO3,制备高纯氧化铁的化学方程式。(5)从滤液C中回收的主要物质的一种用途是。答案:(1)SiO2(2)将Fe3+还原为Fe2+(3)C(4)4FeCO3+O22Fe2O3+4CO2(5)作氮肥解析:(1)将硫铁矿烧渣酸浸后,铁的氧化物溶于酸,酸性氧化物SiO2不与酸反应。(2)在滤液A中加入铁粉后,溶液中的Fe3+可以被还原为Fe2+。(3)加入的物质应是碱,且所选物质不能具有氧化性,以防将Fe2+氧化为Fe3+。(4)在空气中煅烧FeCO3,二价铁被氧化为三价铁,生成Fe2O3。(5)滤液C中含有NH4+,可回收为氮肥使用。2.以物质转化构建流程【典例讲评】以钛铁矿(主要成分是钛酸亚铁FeTiO3)为主要原料冶炼金属钛,生产的工艺流程图如下,其中钛铁矿与浓硫酸反应的化学方程式为:FeTiO3+2H2SO4TiOSO4+FeSO4+2H2O。试回答下列问题:(1)钛铁矿和浓硫酸反应属于(选填“氧化还原反应”或“非氧化还原反应”)。(2)上述生产流程中加入物质A的目的是防止Fe2+被氧化,物质A是;上述制备TiO2的过程中,所得到的副产物和可回收利用的物质是。(3)反应TiCl4+2Mg2MgCl2+Ti在Ar气氛中进行的理由是:。(4)如果取钛铁矿At,生产出钛Bt(不考虑损耗),计算钛铁矿中钛的含量(用A、B字母表示)。解析:(1)由信息可知:框图的第一步反应为:FeTiO3+2H2SO4TiOSO4+FeSO4+2H2O,分析各元素的化合价,知该反应为非氧化还原反应。(2)框图的第二步中加入水和物质A,A是什么?后面已给出暗示:“加入物质A的目的是防止Fe2+被氧化”,那么A无疑是Fe。由框图可知:原料是钛铁矿,主要产品是钛,副产品为绿矾和硫酸,其中硫酸加工后可循环使用,还有铁可回收利用。(3)因为Ti比较活泼,在高温下极易被空气中的氧气氧化,所以为了防止钛被氧化,最后一步反应应在Ar气氛中进行。(4)这一问非常简单,好多同学不敢相信自己,这就是命题者的高明之处,目的是考查学生的心理素质,就看你能不能大胆回答。答案:(1)非氧化还原反应(2)铁绿矾、硫酸、铁(3)防止钛被氧化(4)B/A×100%【知识归纳1】化工生产主要解决的问题:(1)解决将原料转化为产品的生产原理;(2)除去所有杂质并分离提纯产品;(3)提高产量与产率;(4)减少污染,考虑“绿色化学”生产;(5)原料的来源既要考虑丰富,还要考虑成本问题;(6)生产设备简单,生产工艺简便可行等工艺生产问题。【知识归纳2】工业流程常用名词:(1)浸出:固体加入水或酸溶解得到离子。(2)酸浸:指在酸溶液中反应使可溶金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去的过程。(3)水浸:指与水接触反应或溶解。水浸时采用加热和搅拌操作的目的是使指定物质尽可能多和尽可能快地溶解在溶液中。(4)水洗:水洗通常是为了除去水溶性的杂质(滤液淋洗——减少沉淀的溶解;冷水洗涤——减少沉淀的溶解;酒精洗涤——减少晶体溶解,得到较干燥的沉淀)。(5)酸洗:通常指清洁金属表面的一种方法。一般指将制件浸入硫酸等的水溶液,以除去金属表面的氧化物等薄膜,是电镀、搪瓷、轧制等工艺的前处理或中间处理。变式练习2过氧化钙(CaO2)难溶于水,在常温下稳定,在潮湿空气及水中缓慢分解放出氧气,因而广泛应用于渔业、农业、环保等许多方面。下图是以大理石(主要杂质是氧化铁)等为原料制取过氧化钙(CaO2)的流程。请回答下列问题:(1)用氨水调节pH至8~9的目的是。(2)若测得滤液C中c(CO32-)=10-3mol·L-1,则Ca2+(填“是”或“否”)沉淀完全。[已知c(Ca2+)≤10-5mol·L-1可视为沉淀完全;Ksp(CaCO3)=4.96×10-9](3)若在滤液C中,加入HNO3使溶液呈酸性以得到副产物NH4NO3,则酸化后溶液中,c(NH4+)c(NO3-)(填“≥”“≤”“”“”或“=”)。(4)在低温下,往过氧化氢浓溶液中投入无水氯化钙进行反应,写出该反应的化学方程式:,一段时间后,再加入氢氧化钠溶液,当调节溶液pH至9~11,才出现大量沉淀。用化学方程式和简要的文字解释需用氢氧化钠调节pH至9~11的原因。答案:(1)除去Fe3+(2)是(3)(4)CaCl2+H2O2CaO2+2HCl(或CaCl2+H2O2+2NaOHCaO2↓+2NaCl+2H2O)加入NaOH溶液使上述平衡向正反应方向移动,有利于CaO2沉淀的生成解析:(1)因大理石中的主要杂质是氧化铁,它与硝酸反应生成了Fe(NO3)3,在调节pH到8~9时,Fe3+会以Fe(OH)3沉淀形式进入滤渣,从而除去了杂质离子Fe3+。(2)根据离子积Ksp(CaCO3)=4.96×10-9=c(Ca2+)·c(CO32-),得c(Ca2+)=4.96×10-9/10-3mol·L-1=4.96×10-6mol·L-1≤10-5mol·L-1,可视为沉淀完全。(3)由电荷守恒:c(H+)+c(NH4+)=c(OH-)+c(NO3-),因c(H+)c(OH-),故c(NH4+)c(NO3-)。(4)由CaCl2+H2O2CaO2+2HCl(或CaCl2+H2O2+2NaOHCaO2↓+2NaCl+2H2O)可知,加入NaOH溶液使上述平衡向正反应方向移动,有利于CaO2沉淀的生成。3.以反应转化构建流程【典例讲评】以氯化钾和钛白厂的副产品硫酸亚铁为原料生产硫酸钾、过二硫酸钠和氧化铁红颜料,原料的综合利用率较高。其主要流程如下:(1)反应Ⅰ前需在FeSO4溶液中加入(填字母),以除去溶液中的Fe3