化工流程题中的分离提纯考点归类与方法突破(201803)

化工流程题中有关物质的分离提纯考查结晶、过滤问题一、蒸发结晶高中化学人教版必修1课本第一章P5-6实验1-1介绍粗盐提纯，最后从食盐水得到食盐晶体，就是采用蒸发结晶的（初中化学实验也讲过），因为NaCl的溶解度随温度变化不大，其溶解度曲线图中几乎是一条直线（图1所示），所以升高温度时，其溶解度增大幅度小，降低温度时其溶解度减小幅度也小，其晶体析出率太低（10%），不得已，只能通过更多的加热耗能来蒸发溶剂，来使其晶体从溶液中析出——这便是我们所说的蒸发结晶（不必蒸干，蒸发到有大量晶体析出，利用余热蒸干）。一般这种考题中不常见。【方法突破1】获得溶解度随温度变化不大的单一热稳定性好的溶质（如从NaCl溶液中获得NaCl）——操作方法：蒸发结晶（蒸发至大部分晶体析出即停止加热）。二、蒸发浓缩、冷却（降温）结晶如图1所示，是氯化钠和硝酸钾固体的溶解度曲线，硝酸钾符合大多数物质溶解度变化的普遍规律，随温度升高，溶解度显著增大（也有个别反常的，溶解度随温度升高而减小的如：Ca（OH）2、Li2CO3等），也即是一条陡峭的曲线。现在如果只有KNO3水溶液，如何可以得到KNO3晶体？是否也是和NaCl的处理方法相同呢？结合溶解度曲线可知，操作方法不相同，因为其溶解度随温度升高而增大，温度较高温下情况下析出晶体少，因而KNO3只需要蒸发浓缩（使其在较高温度下达到饱和——此时会出现结晶膜），再冷却（降温）结晶就会析出大量的晶体（曲线越陡峭，晶体的析出率越高，KNO3通过降温结晶析出率高达90%以上），而不必蒸发结晶（那样会加热时间更久，浪费更多燃料和时间）。这种考查方式比较常见。【拓展变式】若KNO3晶体含少量杂质NaCl，如何提纯？【思路点拨】像这样为了进一步得到纯度更高的某种晶体，我们还要再分别进行多次结晶操作，称为重结晶（再结晶）。其应用广泛，适合分离两者（或多者）溶解度随温度影响变化不同的物质的分离（如有机物中的苯甲酸的重结晶，2012年广东高考33题考过等）。故此时就是重结晶，具体操作为：将所得KNO3产品溶于适量水，蒸发浓缩，冷却结晶，过滤得滤渣。【方法突破2】获得溶解度随温度变化大的或易被氧化或易分解或含结晶水的溶质（如：KNO3、FeSO4·7H2O、NH4Cl、CuSO4·5H2O、莫尔盐【——（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O】等晶体的获得）——操作方法：蒸发浓缩（蒸发至溶液表面出现结晶膜即停止加热）、冷却结晶、过滤（若是混合液则还需洗涤）、干燥。【例1】硫酸亚锡（SnSO4）是一种重要的硫酸盐，广泛应用于镀锡工业。某研究小组设计SnSO4制备路线如下：查阅资料：Ⅰ.酸性条件下，锡在水溶液中有Sn2+、Sn4+两种主要存在形式，Sn2+易被氧化。Ⅱ．SnCl2易水解生成碱式氯化亚锡。请回答下列问题：操作Ⅰ是.【思路点拨】大多数物质溶解度随温度升高而显著增大，所以题干未给出溶解度曲线或溶解度数据的情况下，要获得晶体则直接采用上面归纳的方法突破2的操作回答即可。【答案】蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。【误区警示】过滤有多种，如低温过滤、热过滤、减压过滤（抽滤——能加快过滤速度）等，请注意区分；过滤得到的晶体不一定是难溶物，只是在特定温度下该物质达到过饱和即可析出该晶体；过滤之后是需要获得滤液还是需要获得滤渣（晶体），请结合题意具体问题具体分析，不能形成思维定势。【例2】硫酸锌的溶解度与温度之间的关系如下表：温度/℃020406080100溶解度/g41.854.170.474.867.260.5从硫酸锌溶液中获得硫酸锌晶体的实验操作为、、过滤、干燥。【思路点拨】注意观察溶解的的数据，不能笼统的回答蒸发浓缩，应该特定的温度下恒温蒸发（因为60℃其溶解度最大，再降温结晶，晶体析出率最大）。【答案】60℃条件下蒸发浓缩、冷却（降温）结晶。【误区警示】蒸发有多种，如加热蒸发、恒温蒸发、减压蒸发（使其在低温下快速蒸发），请注意区分他们的作用不同，具体问题要具体回答准确；蒸发浓缩结晶（析出晶体，后续操作是趁热过滤）与蒸发浓缩（出现晶膜，后续操作是冷却结晶）蒸发的具体程度不同，请注意区别（有时是题目是笼统描述的不加区分）。【变式迁移1】工业上利用废铁屑（含少量氧化铝、氧化铁等）生产碱式硫酸铁[Fe（OH）SO4]的工艺流程如下：减压蒸发的原因，减压蒸发与过滤之间缺哪一步操作。【思路点拨】液体的沸点随压强增大而增大，压强减小而减小，故减压蒸发的原因可以解释与该物质的水解、稳定性等有关，本题具体分析可知在碱式硫酸铁中Fe3+是部分水解的，而Fe3+水解程度随温度升高而增大。【答案】使水在较低温度下蒸发程度大，而防止Fe3+的水解程度太大生成Fe（OH）3影响产品纯度和产量；冷却结晶。【变式迁移2】工业利用精炼镁渣（含有MgO、KCl、MgCl2、BaCl2、CaCl2、FeCl3等杂质）回收MgCl2的工业流程如下：操作I包含多个操作，分别为过滤，洗涤，烘干。烘干时需要减压烘干，原因是。【思路点拨】第一个空回答较简单，是得到含有结晶水合物，方法自然能答对结晶方法；后面烘干的问题解释要到位，干燥也有多种：烘干（常压、减压）、晾干、吹干等。【答案】蒸发浓缩，冷却结晶；降低烘干时的温度，防止MgCl2·6H2O分解（失去结晶水）。三、蒸发浓缩（结晶）、趁热过滤根据图1所给的NaCl和KNO3的溶解度曲线思考，若溶液中含有大量的NaCl和少量的KNO3，如何从溶液中获得NaCl晶体呢？这时很自然想到，蒸发浓缩时，NaCl会先饱和析出晶体（因为NaCl占大部分，且其溶解度随温度变化不大，而KNO3含量少，且高温溶解度更大，远未达到饱和），为了防止低温下KNO3析出，故需趁热滤即可。单独考查这种方式不常见。【方法突破3】多种溶质获得溶解度随温度变化不大或随温度升高而减小的（如：大量的NaCl和少量的KNO3混合溶液中获得NaCl）——操作方法：蒸发浓缩（蒸发程度更大，至结晶析出）、趁热过滤、洗涤、干燥。【例3】Na2SO4和Na2SO4·10H2O的溶解度曲线（g/100g水）如右图，则Ⅳ中得到Na2SO4固体的操作是：将分离出MnCO3和ZnCO3后的滤液升温结晶、用乙醇洗涤后干燥。用乙醇洗涤而不用水洗的原因是；【点拨】注意溶解度曲线，先低温下一段增加的是Na2SO4·10H2O的溶解度曲线，后高温下一段减小的是Na2SO4的溶解度曲线，故这里不能冷却结晶，会得到Na2SO4·10H2O；洗涤剂的选择注意结合题意具体分析。【答案】趁热过滤；降低Na2SO4的溶解度，减少其在水中溶解而损失，防止形成Na2SO4·10H2O而引入新杂质。【误区警示】过滤之后是否要洗涤，需要看原溶液是单一溶液还是混合溶液（大多是混合溶液）；洗涤的目的就是要洗掉晶体表面（吸附）所含有的少量可溶性的杂质（若是晶体内部的杂质，洗不掉，只能通过重结晶除去），洗涤试剂选择要恰当，特别是可溶性的晶体则要尽量减少晶体溶解而损失，常用方法有用：冷水、热水、有机溶剂、或用该晶体的饱和溶液等来洗涤的，具体需要根据晶体的溶解性及其他性质来选择。【变式迁移3】已知有关物质的溶解曲线如右图所示，若要从碳酸钠溶液中获得碳酸钠晶体的操作是。【思路点拨】可能部分同学对图像理解不到位，会错误的回答：蒸发浓缩、趁热过滤，虽然其在40℃溶解度最大，但低温时（0℃）溶解度减少显著，而40-90℃虽减小，但不显著，故蒸发浓缩（不必具体答40℃蒸发浓缩，温度太低，效果差，升高温度后溶解度下降不大，而温度高，蒸发效果好）、冷却结晶、过滤。【答案】蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。【变式迁移4】K2FeO4在水溶液中易水解：4FeO2-4+10H2O？葑4Fe（OH）3+8OH-+3O2↑。在“提纯”K2FeO4中采用重结晶、洗涤、低温烘干的方法，则洗涤剂最好选用溶液（填序号）。A.H2OB.CH3COONa、异丙醇C.NH4Cl、异丙醇D.Fe（NO3）3、异丙醇【思路点拨】根据相似相溶原理，离子化合物一般在有机溶剂中的溶解度不大，而一般有机物在水中溶解度不大，少数的醇（1-3个碳原子的醇）、丙酮等具有亲水基，与水任意比例互溶，是常用的洗涤剂，它能减少产品溶解而损失，同时溶解杂质，且本身有机溶剂易挥发，顺便带走产品中的水分，便于产品晶体的干燥。本题除了考虑溶解性问题外，还需要考虑水解问题。【答案】B四、先蒸发浓缩（结晶）、趁热过滤，后冷却结晶、过滤如何从等物质的量的NaCl和KNO3混合溶液中分别获得NaCl和KNO3晶体呢？结合上面提到的溶解变化规律可知：要将两者溶解度随温度变化存在显著差异物质分离，关键在于控制温度。原理是在高温下析出溶解度小的（此处为NaCl），低温下同样析出溶解度小的（此处为KNO3），具体操作为：较高温下先蒸发浓缩至析出晶体（这时析出的绝大多数是NaCl），再趁热过滤，然后将滤液再冷却结晶（此时析出的绝大多数是KNO3）。这种考法也不常见，一定要结合溶解度曲线具体分析。【方法突破4】多种溶质获得溶解随温度度变化大的以及同时还要获得溶解随温度度变化小的（或溶解度随温度变化规律相反的两物质）。（如：等物质的量的NaCl和KNO3混合溶液中分别获得NaCl和KNO3）——操作方法：先蒸发浓缩（结晶），趁热过滤，得到溶解度变化小的晶体；再将滤液冷却结晶，过滤，得到溶解度变化大的晶体。【例4】某同学向饱和MgCl2溶液中加入2倍物质的量的饱和NaClO3溶液，请写出发生反应的化学方程式为：；再进一步制取Mg（ClO3）2·6H2O的实验步骤依次为：①蒸发浓缩结晶；②；③；④过滤、洗涤。【提示：四种化合物的溶解度（S）随温度（T）变化曲线如图所示。】【思路点拨】结合溶解度曲线变化，此时发生的反应为：MgCl2+2NaClO3=Mg（ClO3）2+2NaCl↓，注意对复分解反应的理解不能只停留在初中水平，实际上只要溶液中离子浓度足够大，当QCKsp时，即可形成沉淀，由本题溶解度曲线可知，四种物质中NaCl溶解度最小，即Ksp（NaCl）最小，最先达到饱和，优先沉淀。与此相似的典型实例就是侯氏制碱法里面应用反应：NaCl+NH4HClO3=NH4Cl+NaHCO3↓，与本题原理相同；故分离NaCl和Mg（ClO3）2·6H2O的方法是，蒸发浓缩结晶、趁热过滤（得NaCl）、冷却结晶、过滤【得Mg（ClO3）2·6H2O】、洗涤。【答案】MgCl2+2NaClO3=Mg（ClO3）2+2NaCl↓；趁热过滤；冷却结晶。【误区警示】一般蒸发浓缩后的过滤为趁热过滤，而冷却结晶后的过滤不用趁热过滤。趁热过滤的目的防止过滤太慢，溶液冷却而导致溶解度随温度变化大的晶体析出，大大降低此时所得溶解度随温度变化小的晶体的纯度，并且会导致下一个操作——冷却结晶所要析出的溶解随温度变化大的晶体损失较多。【变式迁移4】硼酸（H3BO3)大量应用于玻璃制造行业，以硼镁矿（2MgO•B2O3•H2O、SiO2及少量Fe3O4、CaCO3、Al2O3)为原料生产硼酸的工艺流程如下：已知：H3BO3在20℃、40℃、60℃、100℃时的溶解度依次为5.0g、8.7g、14.8g、40.2g。Fe3+、Al3+、Fe2+和Mg2+以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的pH分别为3.2、5.2、9.7和12.4。（1）由于矿粉中含CaCO3，“浸取”时容易产生大量泡沫使物料从反应器溢出，故应分批加入稀硫酸。该反应的化学方程式为。（2）“浸出液”显酸性，含H3BO3和Mg2+、SO42－，还含有Fe3+、Fe2+、Ca2+、Al3+等杂质。“除杂”时向浸出液中依次加入适量H2O2和MgO，除去的杂质离子是。H2O2的作用是(用离子方程式表示）。（3）“浸取”后，采用“热过滤”的目的是。（4）“母液”可用于回收硫酸镁，已知硫酸镁的溶解度随温度变化的曲线如下图，且溶液的沸点随压强增大而升高。为了从“母液”中充分回收MgSO4•H2O，应采取的措施是将“母液”蒸发浓缩，。【思路点拨】根据溶解度的数据不难解释需要趁热过滤的原因，蒸发浓缩之后，