届高三化学考前冲刺突破化学工艺流程综合题考向分析核心导学题组训练.docx
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届高三化学考前冲刺突破化学工艺流程综合题考向分析核心导学题组训练
2020届高三化学考前冲刺突破:
——化学工艺流程综合题
【考向分析】
该类试题通常以化工生产流程图的形式,以陌生元素或陌生化合物知识为载体,综合考查元素化合物知识、氧化还原反应(或复分解反应、电离、水解)方程式的书写、通过化工原理的分析判断流程中残渣或废液的成分、反应条件的控制与选择、物质分离提纯的方法、产率的计算、Ksp的应用、绿色化学思想的体现等。
题目综合性强,难度大,将化学与社会、生产、生活联系起来,旨在考查考生阅读提取信息,迁移应用知识的能力,及科学态度与社会责任的核心素养。
【核心导学】
1.图解明晰化学工艺流程
(1)
(2)循环物质的确定
(3)副产品的判断
2.原料预处理的六种常用方法
方法
目的
研磨、
雾化
减小固体的颗粒度或将液体雾化,增大反应物的接触面积,加快反应速率或使反应更加充分
水浸
与水接触反应或溶解
酸浸
与酸接触反应或溶解,使可溶性离子进入溶液,不溶物通过过滤除去
碱浸
除去油污,溶解酸性氧化物、铝及其氧化物
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
3.常见的操作及目的
常见的操作
目的
加氧化剂
氧化某物质,生成目标产物或除去某些离子
判断能否加其他物质
要考虑是否引入杂质(或影响产物的纯度)等
分离、提纯
利用过滤、蒸发、萃取、分液、蒸馏、重结晶等常规操作从溶液中得到晶体
提高原子利用率
绿色化学(减少对环境的污染、物质的循环利用、废物处理、原子利用率、能量的充分利用)
在空气中或其他气体中进行的反应或操作
要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应;或能否达到隔绝空气、防氧化、防变质、防分解、防水解、防潮解等目的
控制溶液的pH
①调节溶液的酸碱性,使金属离子形成氢氧化物沉淀析出(或抑制水解)
②“酸作用”可除去氧化物(膜)
③“碱作用”可除去油污,除去铝片氧化膜,溶解铝、二氧化硅等
④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)
⑤调节溶液pH,促进(或抑制)某些气体的吸收(或逸出)
控制温度(常用水浴、冰浴或油浴)
①防止副反应的发生
②使化学平衡移动,提高产率(或转化率);控制化学反应的方向
③控制固体的溶解与结晶
④控制反应速率;使催化剂达到最大活性
⑤升温:
促进溶液中的气体逸出,使某物质达到沸点挥发
⑥加热煮沸:
促进水解,聚沉后利于过滤分离
⑦趁热过滤:
减少因降温而析出的溶质的量
⑧降温:
防止物质高温分解或挥发、升华;降温(或减压)可以减少能源成本,降低对设备的要求
洗涤晶体
①水洗:
通常是为了除去晶体表面水溶性杂质
②冰水洗涤:
能洗去晶体表面的杂质离子,且防止晶体在洗涤过程中的溶解损耗
③用特定有机试剂清洗晶体:
洗去晶体表面的杂质,降低晶体的溶解度、有利于析出,减少损耗等
4.物质分离、提纯的六种物理方法
5.熟练书写、配平氧化还原反应的方程式
(1)明确常见的氧化剂和还原剂
①常见氧化剂及其还原产物
氧化剂
Cl2
(X2)
O2
Fe3+
酸性
KMnO4
MnO2
酸性
K2Cr2O7
HClO
还原产物
Cl-
(X-)
H2O/O2-/OH-
Fe2+
Mn2+
Mn2+
Cr3+
Cl-
氧化剂
ClO
浓H2SO4
HNO3
H2O2
PbO2
FeO
(H+)
NaBiO3
还原产物
Cl-
SO2
NO2(浓)、NO(稀)
H2O/OH-
Pb2+
Fe3+
Br-
②常见还原剂及其氧化产物
还原剂
金属单质
Fe2+
H2S/S2-
SO2/SO
HI/I-
NH3
N2H4
CO
H2
氧化
产物
金属离子
Fe3+
S、SO2
SO3、SO
I2
N2、NO
N2
CO2
H2O
(2)掌握氧化还原反应方程式配平的步骤
(3)流程图中氧化还原反应方程式的书写技巧
①新信息或流程图→判断反应物和部分生成物。
②分析化合价的变化→确定氧化产物或还原产物。
③化合价升降总数相等→配平参与氧化还原反应的各物质计量数。
④体系环境、电荷守恒→补加反应物或生成物配平。
“补加”一般原则:
i.酸性条件:
补H+→H2O,或补H2O→H+。
ii.碱性条件:
补OH-→H2O,或补H2O→OH—。
iii.切勿出现补H+→OH—或补OH—→H+的错误状况。
⑤检验质量守恒,勿漏反应条件。
6.注意简答题的答题规范
(1)“操作或措施”类
操作或措施
答题模板
从溶液中得到
晶体的操作
蒸发浓缩→冷却结晶→过滤→洗涤(包括水洗、冰水洗、热水洗、乙醇洗等)→干燥
蒸发结晶
的操作
将溶液转移到蒸发皿中加热,并用玻璃棒不断搅拌,待有大量晶体出现时停止加热,利用余热蒸干剩余水分
证明沉淀
完全的操作
静置,取上层清液,加入××试剂(沉淀剂),若没有沉淀生成,说明沉淀完全
洗涤沉淀
的操作
沿玻璃棒向漏斗(过滤器)中的沉淀上加蒸馏水至没过沉淀,静置使水自然流干,重复操作数次
(2)“目的或原因”类
目的或原因
答题模板
沉淀水洗的目的
除去××(可溶于水)杂质
沉淀用乙醇洗涤的目的
a.减小固体的溶解度;b.除去固体表面吸附的杂质;c.乙醇挥发带走水分,使固体快速干燥
冷凝回流的作用及目的
防止××蒸气逸出脱离反应体系,提高××物质的转化率
控制溶液pH的目的
防止××离子水解;防止××离子沉淀;确保××离子沉淀完全;防止××溶解等;促进/抑制××气体吸收/逸出
加过量A试剂的原因
使B物质反应完全(或提高B物质的转化率)等
温度不高于××℃的原因
温度过高××物质分解(如H2O2、NH3·H2O、浓硝酸、NH4HCO3等)或××物质挥发(如浓硝酸、浓盐酸)或××物质氧化(如Na2SO3等)或促进××物质水解(如AlCl3、FeCl3等)
减压蒸馏(减压蒸发)的原因
减小压强,使液体沸点降低,防止××物质受热分解(如H2O2、浓硝酸、NH4HCO3等)
蒸发、反应时的气体氛围
抑制××离子的水解(如加热蒸发AlCl3溶液时需在HCl气流中进行;加热MgCl2·6H2O得MgCl2时需在HCl气流中进行等)
配制某溶液前先煮沸水的原因
除去溶解在水中的氧气,防止××物质被氧化
反应容器中和大气相通的玻璃管的作用
指示容器中压强大小,避免反应容器中压强过大
【题组训练】
1.(2019·全国卷Ⅰ)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料,广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。
一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)在95℃“溶浸”硼镁矿粉,产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为_____________________________________。
(2)“滤渣1”的主要成分有__________________。
为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+离子,可选用的化学试剂是____________________。
(3)根据H3BO3的解离反应:
H3BO3+H2OH++B(OH)
,Ka=5.81×10-10,可判断H3BO3是________酸;在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是__________________________。
(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为_____________________________________,
母液经加热后可返回________工序循环使用。
由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是_____________________________________。
解析
(1)硼镁矿粉中加入(NH4)2SO4溶液反应生成NH3,NH3与NH4HCO3溶液反应的化学方程式为NH4HCO3+NH3===(NH4)2CO3。
(2)硼镁矿中的SiO2、Fe2O3、Al2O3与(NH4)2SO4溶液不反应,也不溶解,过滤后形成滤渣1。
因为KSCN溶液遇Fe3+变为红色,所以KSCN溶液常用于Fe3+的检验。
(3)根据题目信息中H3BO3的电离方程式和Ka的数值可知H3BO3为一元弱酸。
在“过滤2”前,将溶液pH调节至3.5,目的是将溶液中的硼酸根转化为H3BO3沉淀析出。
(4)根据工艺流程中的原料进入情况及生成物情况可知,“沉镁”时加入的原料为(NH4)2CO3溶液、MgSO4溶液,产物为Mg(OH)2·MgCO3,因此反应的离子方程式为2Mg2++3CO
+2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓+2HCO
或2Mg2++2CO
+H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓+CO2↑。
母液的主要成分为(NH4)2SO4,可以返回到“溶浸”工序循环使用。
碱式碳酸镁热稳定性差,可以在高温焙烧的条件下制取氧化镁,化学方程式为Mg(OH)2·MgCO3
2MgO+CO2↑+H2O。
答案
(1)NH4HCO3+NH3===(NH4)2CO3
(2)SiO2、Fe2O3、Al2O3 KSCN (3)一元弱 将硼酸根转化为H3BO3沉淀,促进析出 (4)2Mg2++3CO
+2H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓+2HCO
[或2Mg2++2CO
+H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓+CO2↑] 溶浸 高温焙烧
2.(2019·全国卷Ⅱ)立德粉ZnS·BaSO4(也称锌钡白),是一种常用白色颜料。
回答下列问题:
(1)利用焰色反应的原理既可制作五彩缤纷的节日烟花,亦可定性鉴别某些金属盐。
灼烧立德粉样品时,钡的焰色为________(填标号)。
A.黄色 B.红色
C.紫色 D.绿色
(2)以重晶石(BaSO4)为原料,可按如下工艺生产立德粉:
①在回转炉中重晶石被过量焦炭还原为可溶性硫化钡,该过程的化学方程式为_____________________________________。
回转炉尾气中含有有毒气体,生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为CO2和一种清洁能源气体,该反应的化学方程式为____________________________。
②在潮湿空气中长期放置的“还原料”,会逸出臭鸡蛋气味的气体,且水溶性变差,其原因是“还原料”表面生成了难溶于水的________(填化学式)。
③沉淀器中反应的离子方程式为_____________________________________。
(3)成品中S2-的含量可以用“碘量法”测得。
称取mg样品,置于碘量瓶中,移取25.00mL0.1000mol·L-1的I2KI溶液于其中,并加入乙酸溶液,密闭,置暗处反应5min,有单质硫析出。
以淀粉为指示剂,过量的I2用0.1000mol·L-1Na2S2O3溶液滴定,反应式为I2+2S2O
===2I-+S4O
。
测定时消耗Na2S2O3溶液体积VmL。
终点颜色变化为____________________________,样品中S2-的含量为____________________(写出表达式)。
解析
(1)钡元素的焰色为绿色。
(2)①由流程图中的原料为重晶石和焦炭粉经回转炉、浸出槽后得到净化的BaS溶液,可判断重晶石(BaSO4)与焦炭粉反应生成BaS和有毒气体CO,根据电子守恒法可配平氧化还原反应方程式BaSO4+4C
BaS+4CO↑;CO与水蒸气反应得到的清洁能源气体为H2,另一种产物为CO2,则CO与水蒸气反应的化学方程式为CO+H2O(g)===CO2+H2。
②臭鸡蛋气味的气体为H2S,水溶性变差是因为发生了反应BaS+CO2+H2O===H2S+BaCO3↓,由此可知难溶于水的物质为BaCO3。
③硫化钡溶液与硫酸锌反应生成难溶于水的立德粉(ZnS·BaSO4),因此离子反应方程式为S2-+Ba2++Zn2++SO
===ZnS·BaSO4↓。
(3)淀粉溶液遇到I2溶液变蓝,当Na2S2O3将I2消耗完后,溶液由浅蓝色变至无色,即滴定终点时,溶液会由浅蓝色变至无色。
设Na2S2O3消耗的I2的物质的量为n1。
由化学方程式可得:
I2 + 2S2O
=== 2I-+S4O
1mol 2mol
n1 0.1000mol·L-1×V×10-3L
则n1=
V×0.1000×10-3mol
设样品中S2-的含量为w,则由反应I2+S2-===2I-+S↓可得:
I2 ~ S2-
1mol 32g
25.00×10-3L×0.1000mol·L-1-
V×0.1000×10-3mol mg×w
由此可得:
w=
×100%。
答案
(1)D
(2)①BaSO4+4C
BaS+4CO↑
CO+H2O(g)===CO2+H2 ②BaCO3 ③S2-+Ba2++Zn2++SO
===ZnS·BaSO4↓ (3)浅蓝色至无色
×100%
3.(2020·湖北重点中学新起点联考)以铬铁矿(主要成分为FeO和Cr2O3,含有Al2O3、SiO2等杂质)为主要原料生产化工原料红矾钠(主要成分Na2Cr2O7·2H2O),其主要工艺流程如下:
查阅资料得知:
ⅰ.常温下,NaBiO3不溶于水,有强氧化性,在碱性条件下,能将Cr3+转化为CrO
。
金属离子
Fe3+
Al3+
Cr3+
Fe2+
Bi3+
开始沉淀的pH
2.7
3.4
5.0
7.5
0.7
沉淀完全的pH
3.7
4.9
5.9
9.7
4.5
回答下列问题:
(1)反应之前先将矿石粉碎的目的是____________________________________。
(2)步骤③加的试剂为________,此时溶液pH要调到5的目的_____________________________________。
(3)写出反应④的离子反应方程式_________________________________________________。
(4)⑤中酸化是使CrO
转化为Cr2O
,写出该反应的离子方程式_____________________________________。
(5)将溶液H经过蒸发浓缩,冷却结晶,过滤,洗涤,干燥即得红矾钠粗晶体,精制红矾钠则对粗晶体需要采用的操作是______________(填操作名称)。
解析 铬铁矿加入过量的硫酸,反应生成硫酸亚铁和硫酸铬、硫酸铝,二氧化硅不溶于硫酸,所以固体A为二氧化硅,溶液B中加入过氧化氢,将亚铁离子氧化成铁离子,调节pH使铁离子和铝离子沉淀,根据表格数据分析,控制pH到5,固体D为氢氧化铁和氢氧化铝,溶液E中加入铋酸钠和少量氢氧化钠溶液,反应生成Na2CrO4,酸化将其变成重铬酸钠,最后重结晶得到红矾钠。
(1)为了增大反应物的接触面积,加快反应速率,提高铬铁矿的浸取率,反应之前先将矿石粉碎。
(2)根据表格数据分析,步骤③加的试剂为氢氧化钠溶液(或NaOH溶液);此时溶液pH要调到5的目的使Fe3+、Al3+均完全转化为Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀而除去,而Cr3+不沉淀。
(3)反应④中铋酸钠将硫酸铬氧化生成铬酸钠同时生成氢氧化铋,离子反应方程式为3NaBiO3+2Cr3++7OH-+H2O===3Bi(OH)3+3Na++2CrO
。
(4)⑤中酸化是使CrO
转化为Cr2O
,离子方程式为2CrO
+2H+Cr2O
+H2O。
(5)精制红矾钠需对红矾钠粗晶体采用操作为重结晶。
答案
(1)增大反应物的接触面积,加快反应速率,提高铬铁矿的浸取率
(2)氢氧化钠溶液(或NaOH溶液) 使Fe3+、Al3+均完全转化为Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀而除去
(3)3NaBiO3+2Cr3++7OH-+H2O===3Bi(OH)3+2CrO
+3Na+ (4)2CrO
+2H+Cr2O
+H2O (5)重结晶
4.NaBiO3可作为钢铁分析中测定锰的氧化剂,Bi2O3在电子行业有着广泛应用,可利用浮选过的辉铋矿(主要成分是Bi2S3,还含少量SiO2等杂质)来制备。
其工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)辉铋矿的“浸出液”中铋元素主要以Bi3+形式存在,写出Bi2S3与FeCl3溶液反应的离子方程式:
__________________________________;加入盐酸,既可提高铋的浸出率,又可________________;滤渣1的主要成分是_____________________________________和硫。
(2)NaBiO3是为数不多的钠盐沉淀之一,由溶液3制得纯净的NaBiO3,操作2包括_____________________________________。
(3)Bi2O3与Na2O2可在熔融状态下反应制得NaBiO3,其副产物为________。
(4)写出“煅烧”中由碱式碳酸铋[(BiO)2CO3]制备Bi2O3的化学方程式:
_____________________________________。
(5)某工厂用m1kg辉铋矿(含Bi2S360%)制备NaBiO3,最终得到产品m2kg,产率为________。
解析 由题中信息可知,辉铋矿经FeCl3和盐酸的混合液浸取后,硫化铋中的硫离子被氧化为硫单质,过滤后除去二氧化硅和硫等滤渣,向滤液中加入足量铁粉把铋置换出来得到海绵铋,海绵铋经盐酸和双氧水溶解得到氯化铋溶液,向氯化铋溶液中加入氢氧化钠溶液和次氯酸钠溶液,氯化铋被氧化为铋酸钠;向氯化铋溶液中加入碳酸铵可以生成碱式碳酸铋沉淀,碱式碳酸铋经煅烧得到氧化铋。
(1)辉铋矿的“浸出液”中铋元素主要以Bi3+形式存在,则Bi2S3与FeCl3溶液反应的离子方程式为Bi2S3+6Fe3+===2Bi3++6Fe2++3S;加入盐酸,既可提高铋的浸出率,又可抑制溶液中Bi3+的水解;滤渣1的主要成分是SiO2和硫。
(2)由题中信息可知,NaBiO3难溶于水,故溶液3中生成的铋酸钠沉淀需经过滤、洗涤、干燥才能制得纯净的NaBiO3。
(3)Bi2O3与Na2O2可在熔融状态下反应制得NaBiO3,Bi的化合价升高,根据化合价的升降规律,可以推断O的化合价由-1降低到-2,故其副产物为Na2O。
(4)“煅烧”中由碱式碳酸铋[(BiO)2CO3]制备Bi2O3的化学方程式为(BiO)2CO3
Bi2O3+CO2↑。
(5)m1kg辉铋矿含Bi2S3的质量为0.6m1kg,若其完全转化为NaBiO3,可以得到NaBiO3的质量为
×2×280kg=
kg,最终得到产品m2kg,故产率为
×100%=
×100%。
答案
(1)Bi2S3+6Fe3+===2Bi3++6Fe2++3S 抑制溶液中Bi3+的水解 SiO2(或二氧化硅)
(2)过滤、洗涤、干燥
(3)Na2O (4)(BiO)2CO3
Bi2O3+CO2↑
(5)
×100%
5.(2018·全国卷Ⅲ)KIO3是一种重要的无机化合物,可作为食盐中的补碘剂。
回答下列问题:
(1)KIO3的化学名称是______________。
(2)利用“KClO3氧化法”制备KIO3工艺流程如下图所示:
“酸化反应”所得产物有KH(IO3)2、Cl2和KCl。
“逐Cl2”采用的方法是____________________。
“滤液”中的溶质主要是________________。
“调pH”中发生反应的化学方程式为_____________________________________。
(3)KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。
①写出电解时阴极的电极反应式_________________________________。
②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为______,其迁移方向是____________。
③与“电解法”相比,“KClO3氧化法”的主要不足之处有____________________________________(写出一点)。
解析
(1)KIO3的化学名称为碘酸钾。
(2)Cl2的溶解度随温度的升高而降低,所以可以用加热的方法来达到“逐Cl2”的目的;KH(IO3)2和KCl的分离可以根据溶解度的不同,采用结晶法分离,滤液中的溶质主要是KCl,要使KH(IO3)2转化为KIO3,可以加入KOH调节pH。
发生反应:
KH(IO3)2+KOH===2KIO3+H2O或HIO3+KOH===KIO3+H2O。
(3)①电解液是KOH溶液,阴极的电极反应式为2H2O+2e-===2OH-+H2↑。
②电解过程中阳极反应为I-+6OH--6e-===IO
+3H2O。
阳极的K+通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。
③“KClO3氧化法”的主要不足之处是产生Cl2,易污染环境。
答案
(1)碘酸钾
(2)加热 KCl KH(IO3)2+KOH===2KIO3+H2O(或HIO3+KOH===KIO3+H2O)
(3)①2H2O+2e-===2OH-+H2↑ ②K+ 由a到b ③产生Cl2易污染环境等
6.镓是制作高性能半导体的重要原料。
在工业上经常从锌矿冶炼的废渣中回收镓。
已知锌矿渣中含有Zn、Fe、Pb、Ga的化合物以及二氧化硅等,目前综合利用锌矿渣的流程如图:
已知:
①Ga性质与铝相似;
②lg2=0.3,lg3=0.48;
③溶度积数据如表:
Zn(OH)2
Ga(OH)3
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Ksp
1.6×10-17
2.7×10-31
8×10-16
2.8×10-39
(1)写出Ga的原子结构示意图:
________________。
(2)滤渣1的成分为________________。
(3)加入H2O2的目的是(用离子方程式和简洁文字回答):
__________________________。
(4)室温条件下,若浸出液中各种阳离子的浓度均为0.01mol/L,且某种离子浓度小于1×10-5mol/L即认为该离子已完全除去,则操作B调节pH的范围是_____________________________________。
(5)操作C中,需要加入氢氧化钠溶液,其目的是________________________(用离子方程式解释);能否用氨水代替NaOH溶液,为什么?
________________________;如何检测Fe(OH)3洗涤干净?
__________________________。
(6)在工业上,经常用电解NaGaO2溶液的方法生产Ga,写出阴极的电极反应式:
_____________________________________。
解析 Ga的性质与Al相似,锌矿渣中加入H2SO4,充分反应,其中Zn、Fe、Ga的化合物转化为可溶于水的ZnSO4、FeSO4、Ga2(SO4)3,Pb转化成难溶于水的PbSO4,SiO2与H2SO4不反应,则经过滤得到的滤渣1的成分为PbSO4、
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