2018版高考化学一轮总复习第三章金属及其化合物专题讲座无机化学工艺流程题的解题策略

1专题讲座无机化学工艺流程题的解题策略工艺流程题就是将化工生产中的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，是无机框图题的创新，题目常常以现代工业生产为基础，将化学工艺流程进行简化，与化工生产成本、环境保护等相融合，考查物质的制备、检验、分离等基本实验原理在化工生产中的实际应用，是近几年高考化学命题中的常考题型。一、题型结构1．化工流程线路示意图。(1)箭头：箭头进入的是投料(即反应物)、出去的是生成物(包括主产物和副产物)。(2)三线：物料进出线、操作流程线、循环操作线。2．涉及问题。(1)原料的预处理。(2)反应条件的控制(温度、压强、催化剂、原料配比、pH、溶剂等)。(3)反应原理(化学平衡、水解平衡、化学反应速率、反应热、电化学等)。(4)绿色化学问题(物质循环利用、废物的处理、原子利用率、能量充分利用等)。(5)化工安全(防爆、防污染、防中毒等)。二、解题思路及方法1．解题思路。审题①阅读题目的背景材料②提供的原料③物料或操作流程④提供的条件和图表⑤化工流程图的类型⑥重要的操作2析题①弄清目的和原理②弄清各步骤的目的③如何运用条件④问题突破口与隐含条件⑤建立解题思路与方法答题①从目的和反应原理切入②从原料和产品切入③从生产要求和条件切入④从产品分享提纯切入⑤从绿色化学思想切入⑥注意问题表达（因果、对比、逆向）2．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的生产工序)试题，首先对比分析流程图中第一种物质(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)分段分析法：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)的工业流程题，用分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，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，这种题适合用交叉分析法。就是将提供的工业流程示意图结合常见化合物的制取原理划分成几条生产流水线，然后上下交叉分析。3．答题步骤。(1)从题干中获取有用信息，了解生产的产品。(2)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，并获取以下信息：①知道“四个什么”。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。②抓住“一个关键”。一切反应或操作都是为获得产品而服务。(4)从问题中获取信息，帮助解题。4．规范解答。3(1)文字叙述类的题目要规范解答，防止出现因叙述不严谨导致的失分，如：①如何洗涤沉淀：往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流下后，重复以上操作2～3次。②如何证明沉淀完全：如向含SO2－4的溶液中加BaCl2溶液，将沉淀静置，取上层清液，再加BaCl2溶液，若无白色沉淀生成，说明沉淀完全。③如何从溶液中得到晶体：蒸发浓缩—冷却结晶—过滤—洗涤—干燥。④在写某一步骤是为了除杂时，应该注明“是为了除去××杂质”，只写“除杂”等一类万能式的回答是不正确的。(2)认真审题，不要因审题不细致而失分，如：①填“化学方程式”还是“离子方程式”。②填“名称”“符号”还是“代号”“序号”等。③填“大于”“”“增大”还是“变大”等。④填“化学式”“分子式”“结构式”“结构简式”“最简式”还是“电子式”等。⑤书写化学方程式时要注意配平、注明反应条件以及“―→”“===”“”“↑”“↓”等。三、答题的必备知识1．对原料进行预处理的常用方法及其作用。(1)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。(2)水浸——与水接触反应或溶解。(3)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。(4)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。(5)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。2．常用的控制反应条件的方法。(1)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增大。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、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH，不可加入NaOH溶液、氨水等。(2)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。(3)控制压强。改变速率，影响平衡。(4)使用正催化剂。加快反应速率，缩短达到平衡需要的时间。4(5)趁热过滤。防止某些物质降温时析出。(6)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．明确常用的提纯方法。(1)水溶法：除去可溶性杂质。(2)酸溶法：除去碱性杂质。(3)碱溶法：除去酸性杂质。(4)氧化剂或还原剂法：除去还原性或氧化性杂质。(5)加热灼烧法：除去受热易分解或易挥发的杂质。(6)调节溶液的pH法：如除去酸性含铜溶液中的Fe3＋等。4．明确常用的分离方法。(1)过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要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)蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。(4)冷却结晶：提取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、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等。(5)蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。(6)冷却法：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。5．物质分离、提纯的原则。(1)不增：不引入新的杂质。(2)不减：不减少被提纯物。(3)易分离：被提纯物与杂质容易分离。(4)易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成状态。6．物质分离、提纯注意事项。(1)除杂试剂需过量。(2)过量试剂需除去。(3)除去多种杂质时要考虑加入试剂的顺序。(4)选择最佳除杂途径。【例1】(2015·全国Ⅰ卷)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：5回答下列问题：(1)写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式___________。为提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度外，还可采取的措施有____________________(写出两条)。(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________________________________________________________________________。然后再调节溶液的pH约为5，目的是__________________________________________________________________________。(4)“粗硼酸”中的主要杂质是________(填名称)。(5)以硼酸为原料可制得硼氢化钠(NaBH4)，它是有机合成中的重要还原剂，其电子式为____________________________________。(6)单质硼可用于生成具有优良抗冲击性能的硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程________________________________________________________________。解析：B和Al是同主族元素，参考Al的性质推断B及其化合物的性质。可通过搅拌矿粉、升高温度提高浸出率。Fe3O4有磁性，SiO2与硫酸不反应存留于浸渣中，而氧化钙和硫酸反应的产物硫酸钙没有除去；加H2O2溶液使二价铁转化为三价铁，然后调节pH使三价铁和铝离子形成氢氧化物除去，根据最后过滤后得到含镁盐母液推断；根据元素成键规律可知硼氢化钠电子式，根据题给信息和氧化还原反应规律可知2H3BO3＋3Mg===3MgO＋2B＋3H2O。答案：(1)Mg2B2O5·H2O＋2H2SO4=====△2MgSO4＋2H3BO3搅拌矿粉、升高温度(2)Fe3O4SiO2和CaSO4(3)氧化溶液中的Fe2＋除去溶液中的Al3＋和Fe3＋(4)(七水)硫酸镁6(6)2H3BO3＋3Mg===3MgO＋2B＋3H2O【例2】锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C＋xLi＋＋xe－===LixC6。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)。回答下列问题：(1)LiCoO2中，Co元素的化合价为________。(2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式___________________________________________________________________。(3)“酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式________________________；可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是_________________________________________________________________________________。(4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式___________________________________________________________________。(5)充放电过程中发生LiCoO2与Li1－xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式____________________________________________________________________________________________。(6)上述工艺中“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是_____________________________________________________。在整个回收工艺中，可回收的金属化合物有______________(填化学式)。解析：(1)在LiCoO2中，由于Li的化合价为＋1，O的化合价为－2，根据化合价为零的规则，可知Co的化合价为＋3。(2)在“正极碱浸”的条件下，正极材料中的铝箔和NaOH溶液发生反应：2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO－2＋3H2↑。(3)在酸性条件下H2O2既有氧化性又有还原性，在酸浸过程中有H2O2的分解反应：72H2O2=====△2H2O＋O2↑；另外H2O2具有还原性，＋3的Co可以将H2O2氧化，反应为：2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2=====△Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O，用盐酸代替硫酸和H2O2，在反应过程中盐酸被氧化，会有氯气产生，污染环境。(4)在CoSO4溶液中加入NH4HCO3，然后过滤得到CoCO3，说明沉钴过程中生成碳酸钴沉淀，根据原子守恒可得反应为CoSO4＋2NH4HCO3===CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑。(5)充放电过程中，同一个电极的反应类型相反，在充电时发生反应：6C＋xLi－＋xe－===LixC6，碳元素化合价降低属于还原反应；则放电时LixC6是反应物，生成C，发生氧化反应，而Li1－xCoO2与LiCoO2相比，Li1－xCoO2中钴的价态较高，可知Li1－xCoO2为反应物，电极反应为：L