化学工艺流程题的解题思路与方法

点赞:21287 浏览:95610 近期更新时间:2023-12-28 作者:网友分享原创网站原创

继江苏高考独立命题以来,化学工艺流程题已成为江苏高考的热点,无机化工流程依实际生产工艺为背景设计,主要考查学生应用元素化合物知识和化学反应原理解决实际问题的能力,这类题目的综合性很强,思维量大,试题文字多、信息新颖、情境陌生,具有挑战性.为了让学生解好此类题目,现将要点和解题思路总结如下.

1.化工原料预处理:粉碎、酸浸、碱洗

(1)增加反应物的接触面积,加快反应速率,提高原料利用率的方法有粉碎、搅拌、气-液逆流接触吸收(尾气从吸收塔底进入,吸收剂从吸收塔顶喷淋)等.

(2)浸取 常用的浸取剂有:水、酸和碱.一般流程都是用酸溶解,一般是将金属元素浸出.

碱洗的目的有别于“酸浸”:用热的纯碱溶液浸洗金属废屑,目的是洗去金属表面油污;用热的烧碱溶液浸洗,还可除去金属表面(如铝材)的自然氧化膜,有时还具有对混合原料初步分离或转化的效果,如从铝土矿中提取铝的起步“碱溶”就兼有除去铁的氧化物的目的.

提高浸出率的适宜操作通常有:将矿渣粉碎、连续搅拌、延长酸浸时间、利用流程产生的废热使酸液保持一定温度、合适的酸浓度、合适的液固比、循环浸取等.

2.化工流程的中坚:氧化(或还原)、除杂

(1)氧化(或还原)

由于铝、铁、铜是使用最广的金属,铁又是变价元素,所以化工原料不可避免地涉及多种金属;为“物尽其用”,流程中将原料“酸浸”后,必然涉及将Fe2+氧化转化为Fe3+(常用的氧化剂有:Cl2、H2O2等),而后通过调控pH将其转化为沉淀除去.

例如2013江苏卷第16题 氧化镁在医药、建筑等行业应用广泛.硫酸镁还原热解制备高纯氧化镁是一种新的探索.以菱镁矿(主要成分为MgCO3,含少量FeCO3 )为原料制备高纯氧化镁的实验流程如下:

第(3)问:滤渣2 的成分是 (填化学式).

分析 菱镁矿中加入稀硫酸,MgCO3和FeCO3都要反应,过滤除去不与硫酸反应的杂质后,加入H2O2是为了氧化Fe2+,再加入氨水调节溶液的pH为4使Fe3+形成Fe(OH)3,即滤渣2.

第(2)问:加入H2O2 氧化时,发生反应的化学方程式为 .

答案:2FeSO4+H2O2+H2SO4Fe2(SO4)3+2H2O

(2)除杂

①加合适、过量的沉淀剂.为使杂质离子充分沉淀,加入沉淀剂必须过量且不引入新杂质离子,过量的部分在后续步骤中必须除去.沉淀剂过量的判断,通常有两种思考方向:一是继续滴加沉淀剂.如在食盐水精制工艺中,证明滴加BaCl2溶液(沉淀SO2-4)过量的操作为:静置,向上层清液中继续滴加少量BaCl2溶液,若无白色浑浊现象产生,证明BaCl2溶液已经过量,否则, 溶液不过量.注意,切不可用向上层清液中滴加少量Na2SO4溶液的方法,否则,会再次引入SO2-4.二是另选特征检验试剂.如检验Fe3+是否沉淀完全的操作是:静置片刻,取少量上层清液,滴加KSCN溶液,若不出现血红色,表明Fe3+沉淀完全.


②调控溶液的pH.一般流程都是用酸溶解,故酸溶后溶液有较强酸性.调节pH多为加入能消耗H+且不引入新杂质的物质,每种金属离子都有开始沉淀和沉淀完全的两个pH,因此,一定要正确控制pH范围.

例如2013北京卷第27题 用含有Al2O3、SiO2和少量FeOxFe2O3的铝灰制备Al2(SO4)318H2O,工艺流程如下(部分操作和条件略):

Ⅰ.向铝灰中加入过量稀H2SO4,过滤:

Ⅱ.向滤液中加入过量KMnO4溶液,调节溶液的pH约为3;

Ⅲ.加热,产生大量棕色沉淀,静置,上层溶液呈紫红色:

Ⅳ.加入MnSO4至紫红色消失,过滤;

Ⅴ.浓缩、结晶、分离,得到产品.

第(3)问 已知:

生成氢氧化物沉淀的pH

注:金属离子的起始浓度为0.1 molL-1.

根据表中数据解释步骤Ⅱ的目的:

答案:除去铁元素.

调节溶液pH的目的还有其它方面考虑:①抑制离子水解;②防止微粒氧化.如在用废铁屑抽取绿矾的过程中,要保持硫酸过量,一则抑制Fe2+水解,二则抑制Fe2+被氧化(因Fe2+在酸性环境中比在碱性条件下较稳定).实际操作中还用过量铁屑来确保Fe2+不被氧化.

3.化工流程的尾声:结晶与过滤、洗涤与干燥、脱水或煅烧

(1)结晶与过滤

结晶的方式有两种――蒸发溶剂和冷却热饱和溶液;过滤有趁热过滤和冷却过滤两种情形.具体采取什么途径要结合物质性质来考虑.例如,易水解,易分解的物质用冷却结晶,混合物分离是还要考虑各物质的溶解性差异.

例如2013四川卷第11题 明矾石经处理后得到明矾

[KAl(SO4)212H2O].从明矾制备Al、K2SO4和H2SO4的工艺过程如下所示:

焙烧明矾的化学方程式为:

4KAl(SO4)212H2O+3S2K2SO4 +2Al2O3+9SO2+48H2O

第(2)问从水浸后的滤液中得到K2SO4晶体的方法是 .

分析 蒸发结晶.如果是易水解的盐酸盐或硝酸盐,就应该用冷却结晶的方法.

(2) 洗涤与干燥

晶体颗粒表面、颗粒之间粘附有其它可溶性物质,为提高晶体的纯度,必须对晶体进行洗涤,混杂在晶体中的水分可通过干燥剂吸收.

洗涤的操作:把蒸馏水(或冰水,或合适的有机溶剂等)沿着玻璃棒缓缓地注入过滤器中至浸没沉淀,静置,待洗涤溶剂自然流出,重复2-3次.注意,“将沉淀转移到烧杯中,加蒸馏水,用玻璃棒搅拌,再过滤”是错误的.有时洗涤剂是某电解质溶液,冰水,有机溶剂,其目的都有减少目标物的溶解损耗.

判断沉淀洗净的操作:另取最后一次洗涤液,滴加检验主要杂质的合适试剂,若有预计的现象出现,证明沉淀没有洗干净,反之,证明沉淀已经洗净.现象由试剂决定,试剂依杂质而选.

例如2013年安徽卷 二氧化铈(CeO2)是一种重要的稀土氧化物.平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末(含SiO2、Fe2O3、CeO2以及其它少量可溶于稀酸的物质).某课题组以此粉末为原料回收铈,设计实验流程如下:

第(1)问 洗涤滤渣A的目的是为了去除 (填离子符号),检验该离子是否洗涤的方法是 .

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分析 滤渣上附着Fe3+和Cl-,所以,只要取最后一次洗涤液,加入硝酸银,如果没有白色沉淀,就可证明洗涤干净.

但是检验NO-3就不容易(由于产生有害气体);检验K+也不理想;一般采用沉淀法检验,检验Fe3+也可用KSCN溶液.

(3)脱水或煅烧

干燥后的晶体有时并不是我们希望获得的最终产物,对晶体进行的后续处理通常为:脱水或煅烧.如无

水AlCl3可用作有机合成的催化剂.工业上以铝灰为原料制备无水AlCl3工艺中,最后一步是由AlCl36H2O脱水制备无水AlCl3.实现这一步的方法是

在HCl气流中加热脱结晶水.