届二轮复习 高考非选择题五大题型突破 题型2 化学工艺流程 教案全国通用 1.docx
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届二轮复习高考非选择题五大题型突破题型2化学工艺流程教案全国通用1
题型2 化学工艺流程
■题型特点解读·
1.化学工艺流程题由题引、题干和题设三部分构成。
(1)制备型题型特点
(2)提纯型题型特点
题引一般简单介绍该工艺生产的原材料和生产的目的、产品(包括副产品);题干以工业生产为主要背景,以文字、工艺流程图、表格相结合的形式呈现;题设主要是根据生产过程中涉及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,主要涉及原料的选择、循环利用、绿色化学、环境保护、分离提纯、反应原理、实验操作、产率计算等。
2.试题陌生度高,以陌生的新物质为背景,贴近工业生产(如会出现更多的工业术语和设备名称等),试题文字信息量大,综合性强,对能力要求高。
■解题策略指导·
1.解题思路
(1)粗读题干,挖掘图示
关注关键字,弄懂流程图,但不必将每一种物质都推出,只需问什么推什么。
如制备类无机化工题,可粗读试题,知道题目制取什么、大致流程和有什么提示等。
(2)携带问题,精读信息
抓三方面:
一是主干,二是流程图示,三是设置问题。
读主干抓住关键字、词;读流程图,重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。
(3)跳跃思维,规范答题
答题时应注意前后问题往往没有“相关性”,即前一问未答出,不会影响后面答题。
2.破题关键
(1)看原料:
明确化工生产或化学实验所需的材料。
(2)看目的:
把握题干中的“制备”或“提纯”等关键词,确定化工生产或化学实验的目的。
(3)看箭头:
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)。
(4)看三线:
主线主产品;分支副产品;回头为循环。
(5)找信息:
明确反应条件的控制和分离提纯方法。
(6)关注所加物质的可能作用:
参与反应、提供反应氛围、满足定量要求。
3.破题方法
(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。
■典例剖析示范·
制备型工艺流程题
(2017·全国Ⅰ卷)
①都是锂离子电池的电极材料,可利用
②来制备。
工艺流程如下:
回答下列问题:
(1)“酸浸”实验中,铁的浸出率结果如下图所示。
④,所采用的实验条件为______________。
(2)“酸浸”后,钛主要以
⑤形式存在,写出相应反应的离子方程式_________________________________________________________________
________________________________________________________________。
(3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示:
温度/℃
30
35
40
45
50
TiO2·xH2O转化率/%
92
95
97
93
88
分析
⑥的原因__________________________。
(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4,其中过氧键的数目为________。
(5)若“滤液②”中c(Mg2+)=0.02mol·L-1,
⑦,使Fe3+恰好沉淀完全即溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1,此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成?
________
⑦。
FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10-22、1.0×
10-24。
(6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式__________
________________________________________________________________。
①明确目的:
生产目的是制备Li4Ti5O12和LiFePO4。
②明确原料:
明确主要成分和杂质。
③核心反应:
盐酸酸浸、双氧水氧化(氨水、磷酸)、高温煅烧等。
④识图像:
坐标含义,关键点。
从关键点分析条件为“100℃、2h或90℃、5h”。
⑤信息理解:
从生成物分析钛的化合价变化,进而确定反应情况。
⑥表格信息:
结合物质性质,温度过高H2O2及NH3·H2O分解。
⑦关注细节:
溶液体积加倍,离子浓度变为原来的一半;列式计算,不能直接写出计算结果。
【解析】
(1)根据图像分析,当铁的浸出率为70%时,所采用的实验条件为100℃、2h,90℃、5h。
(2)“酸浸”时,发生反应的离子方程式为FeTiO3+4H++4Cl-===Fe2++TiOCl
+2H2O。
(3)当温度低于40℃时,H2O2、NH3·H2O不易分解,但是温度低,反应速率慢,TiO2·xH2O转化率低;当温度高于40℃时,H2O2分解,NH3逸出,反应物浓度降低,反应速率下降,TiO2·xH2O的转化率低。
(4)设Li2Ti5O15中过氧键的数目为x,则非过氧键氧原子数目为15-2x,根据化合物中各元素正、负化合价代数和为零可得:
2x+2×(15-2x)=1×2+4×5,解得:
x=4。
(5)根据Ksp(FePO4)=1.3×10-22及Fe3+恰好完全沉淀时溶液中c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1,可得c(PO
)=
mol·L-1=1.3×10-17mol·L-1。
c(Mg2+)=
mol·L-1=0.01mol·L-1,则c3(Mg2+)·c2(PO
)=0.013×(1.3×10-17)2=1.69×10-40≈1.7×10-40 (6)煅烧过程中,Fe元素化合价由+3降至+2,被还原,则H2C2O4应作还原剂,其氧化产物为CO2,反应的化学方程式为2FePO4+Li2CO3+H2C2O4 2LiFePO4+3CO2↑+H2O。 【答案】 (1)100℃、2h,90℃、5h (2)FeTiO3+4H++4Cl-===Fe2++TiOCl +2H2O (3)低于40℃,TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加;超过40℃,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降 (4)4 (5)Fe3+恰好沉淀完全时,c(PO )= mol·L-1=1.3×10-17mol·L-1,c3(Mg2+)·c2(PO )值为0.013×(1.3×10-17)2≈1.7×10-40 (6)2FePO4+Li2CO3+H2C2O4 2LiFePO4+3CO2↑+H2O 提纯型工艺流程题 (2016·全国Ⅲ卷)以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生产硫酸的催化剂。 ①既避免污染环境又有利于资源综合利用。 ②: 物质 V2O5 V2O4 K2SO4 SiO2 Fe2O3 Al2O3 质量分数/% 2.2~2.9 2.8~3.1 22~28 60~65 1~2 <1 以下是一种废钒催化剂回收工艺路线: ③ 回答下列问题: (1)“酸浸”时 ④,反应的离子方程式为__________________,同时V2O4转化成VO2+。 “废渣1”的主要成分是________。 (2)“氧化”中欲使3mol的 ④,则需要氧化剂KClO3至少为________mol。 (3)“中和”作用之一是使钒以V4O 形式存在于溶液中。 “废渣2”中含有________。 (4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为: ⑤。 为了提高洗脱效率,淋洗液应该呈________性(填“酸”、“碱”或“中”)。 (5) ⑥的是________。 (6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀,写出 ⑦发生反应的化学方程式___________________________________________________________ ________________________________________________________________。 ①明确目的: 从废钒催化剂中回收V2O5,即除杂质提纯V2O5。 ②明确原料: 明确废钒催化剂的主要成分和杂质。 ③明确流程: 该过程涉及酸浸、氧化、中和、过滤、淋洗、煅烧等,应明确其含义。 核心反应: 硫酸酸浸、KClO3氧化、高温煅烧等。 ④挖掘信息: V2O5转化为VO ,反应前后钒元素的化合价不变,发生非氧化还原反应,VO2+变为VO 是氧化还原反应。 ⑤信息理解应用: 可逆反应,平衡移动。 ⑥考查细节: 前面加入了KClO3和KOH。 ⑦关注细节: NH4VO3“煅烧”生成V2O5,钒元素的化合价没有发生变化。 【解析】 (1)“酸浸”时V2O5转化为VO ,V2O5、VO 中V元素均显+5价,V元素化合价不变,则该反应是非氧化还原反应,结合溶液的酸碱性及元素守恒写出离子方程式: V2O5+2H+===2VO +H2O。 废钒催化剂中除SiO2外,其余物质均与稀硫酸反应生成易溶于水的盐,则“废渣1”的主要成分是二氧化硅。 (2)“氧化”中使3mol的VO2+变为VO ,转移电子的物质的量为3mol×(5-4)=3mol;氧化剂KClO3被还原为KCl,Cl元素由+5价降低到-1价,根据电子守恒可知,需要KClO3的物质的量至少为 =0.5mol。 (3)由图可知,加入KOH中和后产生废渣2,而“中和”作用之一是使钒以V4O 形式 存在于溶液中,后续操作中未进行除杂操作,显然该过程中还生成Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀,从而除去Fe3+、Al3+,故“废渣2”中含有Fe(OH)3和Al(OH)3。 (4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为4ROH+V4O R4V4O12+ 4OH-(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。 为了提高洗脱效率,应增加溶液中c(OH-),使平衡逆向移动,故淋洗液应该呈碱性。 (5)“氧化”和“中和”操作中分别加入KClO3、KOH,而“离子交换”过程中,消耗V4O 同时生成OH-, 而阳离子未参与离子交换,故“流出液”中阳离子最多的是K+。 (6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀,“煅烧”过程中生成V2O5,考虑铵盐的不稳定性,还应生成NH3和H2O,结合元素守恒写出化学方程式: 2NH4VO3 V2O5+H2O+2NH3↑。 【答案】 (1)V2O5+2H+===2VO +H2O SiO2 (2)0.5 (3)Fe(OH)3和Al(OH)3 (4)碱 (5)K+ (6)2NH4VO3 V2O5+H2O+2NH3↑ ■即时应用体验· 1.(2017·全国Ⅲ卷)重铬酸钾是一种重要的化工原料,一般由铬铁矿制备,铬铁矿的主要成分为FeO·Cr2O3,还含有硅、铝等杂质。 制备流程如图所示: 回答下列问题: (1)步骤①的主要反应为: FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3 Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2 上述反应配平后FeO·Cr2O3与NaNO3的系数比为________。 该步骤不能使用陶瓷容器,原因是_________________________________________________ ________________________________________________________________。 (2)滤渣1中含量最多的金属元素是________,滤渣2的主要成分是________及含硅杂质。 (3)步骤④调滤液2的pH使之变________(填“大”或“小”),原因是____ _______________________________________________(用离子方程式表示)。 (4)有关物质的溶解度如图所示。 向“滤液3”中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。 冷却到________(填标号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。 a.80℃ b.60℃ c.40℃ d.10℃ 步骤⑤的反应类型是_____________________________________________。 (5)某工厂用m1kg铬铁矿粉(含Cr2O340%)制备K2Cr2O7,最终得到产品m2kg,产率为________。 【解析】 (1)由题中反应可知,FeO·Cr2O3是还原剂,Fe元素化合价由+2升高到+3,Cr元素化合价由+3升高到+6,1molFeO·Cr2O3失去7mol电子;NaNO3是氧化剂,N元素化合价由+5降低到+3,1molNaNO3得到2mol电子。 根据电子守恒可得,FeO·Cr2O3和NaNO3的系数比为2∶7。 步骤①不能使用陶瓷容器的原因是陶瓷在高温下会与Na2CO3反应。 (2)熔块中Fe2O3不溶于水,过滤后进入滤渣1,则滤渣1中含量最多的金属元素是铁。 滤液1中含有AlO 、SiO 及CrO ,调节溶液pH=7,则SiO 转化为H2SiO3、AlO 转化为Al(OH)3,故滤渣2为Al(OH)3及含硅杂质。 (3)由流程图可知,滤液2通过调节pH使CrO 转化为Cr2O ,根据离子方程式: 2CrO +2H+ Cr2O +H2O可知,增大H+浓度,即pH变小,可以使上述平衡右移,有利于提高溶液中的Cr2O 浓度。 (4)由图像可知,在10℃左右时得到的K2Cr2O7固体最多。 发生反应为2KCl+Na2Cr2O7===K2Cr2O7+2NaCl,该反应为复分解反应。 (5)根据铬元素守恒可得: Cr2O3~K2Cr2O7,理论上m1kg铬铁矿粉可制得K2Cr2O7的质量: ×294g·mol-1,则K2Cr2O7的产率为 ×100%= ×100%。 【答案】 (1)2∶7 陶瓷在高温下会与Na2CO3反应 (2)Fe Al(OH)3 (3)小 2CrO +2H+ Cr2O +H2O (4)d 复分解反应 (5) ×100% 2.(2017·郑州模拟)已知草酸镍晶体(NiC2O4·2H2O)难溶于水,工业上从废镍催化剂(主要成分为Ni,含有一定量的Al2O3、FeO、SiO2、CaO等)中制备草酸镍晶体的流程如图所示: 已知: ①相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH见表中数据: 金属离子 Fe3+ Fe2+ Al3+ Ni2+ 开始沉淀的pH 1.1 5.8 3.0 6.8 完全沉淀的pH 3.2 8.8 5.0 9.5 ②Ksp(CaF2)=1.46×10-10; ③当某物质浓度小于1.0×10-5mol·L-1时,视为完全沉淀。 请回答下列问题: (1)请写出一种能提高“酸浸”速率的措施: _________________________。 (2)试剂a是一种绿色氧化剂,写出“氧化”时反应的离子方程式: _______________________________________________________________。 (3)“调pH”时pH的调控范围为______________,试用化学反应原理的相关知识解释滤渣Ⅱ的生成: __________________________________________ _______________________________________________________________。 (4)写出“沉镍”时发生反应的离子方程式: __________________________ ________________________________________________________________, 证明Ni2+已经沉淀完全的实验步骤及现象是__________________________ ________________________________________________________________, 当Ca2+沉淀完全时,溶液中c(F-)>________mol·L-1(写出计算式即可)。 (5)操作a的内容是________________________________________________。 【解析】 (1)把废镍催化剂粉碎或适当加热、适当增大硫酸的浓度或提高搅拌速率等都可以提高酸浸速率。 (2)试剂a是过氧化氢,故“氧化”时反应的离子方程式为2Fe2++2H++H2O2===2Fe3++2H2O。 (3)因为铁、铝是以氢氧化铁和氢氧化铝的形式沉淀下来的,并且不能使镍离子形成沉淀,故pH范围为5.0≤pH<6.8;其反应的原理为加入Ni(OH)2消耗溶液中的氢离子,促使铁离子、铝离子的水解平衡向右移动,使铁离子、铝离子转化为相应的沉淀而除去。 (4)加入草酸铵后生成的固体是NiC2O4·2H2O,因此有水参加反应,故反应的离子方程式为Ni2++C2O +2H2O===NiC2O4·2H2O↓。 若镍离子没有完全沉淀,则继续加入草酸铵,仍会有沉淀生成,所以证明Ni2+已经沉淀完全的操作及实验现象是: 取适量上层清液于试管中,继续滴加(NH4)2C2O4溶液,无沉淀生成。 钙离子沉淀完全的标志是溶液中钙离子的物质的量浓度小于1.0×10-5mol·L-1,根据Ksp(CaF2)可求出c(F-)> mol·L-1。 (5)从溶液中分离出晶体需要进行过滤、洗涤、干燥。 【答案】 (1)把废镍催化剂粉碎(或适当加热、适当增大硫酸的浓度或提高搅拌速率等) (2)2Fe2++2H++H2O2===2Fe3++2H2O (3)5.0≤pH<6.8 加入Ni(OH)2消耗溶液中的H+,促使铁离子、铝离子的水解平衡右移,使铁离子、铝离子转化为相应的沉淀 (4)Ni2++C2O +2H2O===NiC2O4·2H2O↓ 取适量上层清液于试管中,继续滴加(NH4)2C2O4溶液,无沉淀生成 (5)过滤、洗涤、干燥 3.(2017·黄冈质检)硼镁泥是硼镁矿生产硼砂(Na2B4O7·10H2O)时的废渣,其主要成分是MgO,还含有CaO、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、B2O3、SiO2等杂质。 以硼镁泥为原料制取的七水硫酸镁在印染、造纸和医药等工业上都有广泛的应用。 硼镁泥制取七水硫酸镁的工艺流程如下: (1)滤渣A能溶于氢氟酸,写出其反应的化学方程式: __________________ ________________________________________________________________。 (2)滤渣B中含有不溶于稀盐酸的黑色固体,则滤渣B含有的成分有______________,加MgO并煮沸的目的是______________________。 (3)写出加NaClO过程中发生反应的离子方程式: ______________________ ________________________________________________________________。 (4)趁热过滤的目的是______________________________________________。 (5)因B2O3溶于硫酸,所以此法制备的七水硫酸镁含有少量硼酸(H3BO3),硼酸与NaOH溶液反应可制得硼砂,写出该反应的化学方程式: ________________________。 失去结晶水的硼砂与金属钠、氢气及石英砂一起反应可制备有机化学中的“万能还原剂——NaBH4”和另一种钠盐,写出其反应的化学方程式: ____________________________________________ ________________________________________________________________。 【解析】 (1)硼镁泥是硼镁矿生产硼砂(Na2B4O7·10H2O)时的废渣,其主要成分是MgO,还含有CaO、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、B2O3、SiO2等杂质,在硼镁泥中加硫酸,二氧化硅不溶,所以过滤后的滤渣A为二氧化硅,二氧化硅和氢氟酸反应的化学方程式为SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。 (2)加次氯酸钠的目的是为了将Fe2+和Mn2+氧化,氧化后加氧化镁是为了调节pH,让铁离子和铝离子转化为氢氧化铁和氢氧化铝的沉淀除去,滤渣B中含有不溶于稀盐酸的黑色固体是二氧化锰,所以滤渣B的成分为Al(OH)3、Fe(OH)3、MnO2。 (3)加NaClO过程中发生反应的离子方程式为Mn2++ClO-+H2O===MnO2↓+Cl-+2H+、2Fe2++ClO-+2H+===2Fe3++Cl-+H2O。 (4)蒸发浓缩、趁热过滤是为了除去硫酸钙,温度降低后,即冷却结晶后析出了硫酸镁,所以趁热过滤是为了防止硫酸镁析出。 (5)4H3BO3+2NaOH+3H2O===Na2B4O7·10H2O;失去结晶水的硼砂(Na2B4O7)与金属钠、氢气及石英砂(主要成分是SiO2)一起反应可制备有机化学中的“万能还原剂——NaBH4”和另一种钠盐,这种钠盐应该是硅酸钠,反应的化学方程式为Na2B4O7+16Na+8H2+7SiO2===4NaBH4+7Na2SiO3。 【答案】 (1)SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O (2)Al(OH)3、Fe(OH)3、MnO2 调节溶液pH,促进Al3+、Fe3+完全水解成氢氧化物沉淀而除去 (3)Mn2++ClO-+H2O===MnO2↓+Cl-+2H+、2Fe2++ClO-+2H+===2Fe3++Cl-+H2O (4)防止MgSO4在温度降低时结晶析出 (5)4H3BO3+2NaOH+3H2O===Na2B4O7·10H2O Na2B4O7+16Na+8H2+7SiO2===4NaBH4+7Na2SiO3 4.(2017·合肥模拟)高纯活性氧化锌可用于光催化、光电极、彩色显影等领域。 以工业级氧化锌(含Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等)为原料,用硫酸浸出法生产高纯活性氧化锌的工艺流程如下: 已知Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38。 回答下列问题: (1)浸出时,为了提高浸出效率可采取的措施有(写两种): ________________。 (2)氧化时,加入KMnO4溶液是为了除去浸出液中的Fe2+和Mn2+(溶液中Mn元素全部转化为MnO2),请配平下列除去Fe2+的离子方程式: MnO + Fe2++________=== MnO2↓+ Fe(OH)3↓+ H+ (3)加入锌粉的目的是__________________________________________
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