高考化学复习历年高频考点 题型与知识专题讲解 十三 化工流程综合题.docx
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高考化学复习历年高频考点题型与知识专题讲解十三化工流程综合题
高考化学复习历年高频考点题型与知识专题讲解
化工流程综合题
化学工艺流程题是近年来高考命题的必考热点,是一种命题趋势。
物质制备类工艺流程往往以生产生活密切联系的化学新技术、新成果为试题素材,彰显学科价值,题目新颖,出题角度灵活。
考查的知识多为产物的判断,陌生化学方程式、离子方程式或电极反应式的书写,制备条件的选择及分析,溶度积常数的有关计算等。
考查考生利用化学知识和原理解决实际问题的能力。
【题型特点】
此类试题大多以“重要无机物的制备”或“工业废料中提取无机物”为载体,命题主要集中在:
(1)基本技能,涉及陌生化学(或离子)方程式、电极反应式的书写,物质的分离及提纯操作等。
(2)识图能力,工艺流程中物质的转化与跟踪。
(3)物质制备及提纯条件的控制,涉及提高反应速率、产率或转化率等措施。
(4)基本计算,涉及纯度或含量、溶度积(Ksp)、氧化还原反应的计算等。
题型1:
以分离、提纯为主线的工艺流程题
例1.【2020年高考全国3卷27题】某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物,还有少量其他不溶性物质。
采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O):
溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示:
金属离子
Ni2+
Al3+
Fe3+
Fe2+
开始沉淀时(c=0.01mol·L−1)的pH
沉淀完全时(c=1.0×10−5mol·L−1)的pH
7.2
8.7
3.7
4.7
2.2
3.2
7.5
9.0
回答下列问题:
(1)“碱浸”中NaOH的两个作用分别是______________。
为回收金属,用稀硫酸将“滤液①”调为中性,生成沉淀。
写出该反应的离子方程式______________。
(2)“滤液②”中含有的金属离子是______________。
(3)“转化”中可替代H2O2的物质是______________。
若工艺流程改为先“调pH”后“转化”,即
,“滤液③”中可能含有的杂质离子为______________。
(4)利用上述表格数据,计算Ni(OH)2的Ksp=______________(列出计算式)。
如果“转化”后的溶液中Ni2+浓度为1.0mol·L−1,则“调pH”应控制的pH范围是______________。
(5)硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化,可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH。
写出该反应的离子方程式______________。
(6)将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用,其意义是______________。
【答案】
(1)除去油脂,溶解铝及其氧化物
+H+=Al(OH)3↓+H2O
(2)Ni2+、Fe2+、Fe3+
(3)O2或空气Fe3+(4)0.01×(107.2−14)2[或10−5×(108.7−14)2]3.2~6.2
(5)2Ni2++ClO−+4OH−=2NiOOH↓+Cl−+H2O(6)提高镍回收率
【解析】
(1)废弃的含镍催化剂原料中能与NaOH溶液反应的为表面的油脂、铝及其氧化物。
“滤液①”中的溶质为Na[Al(OH)4](或NaAlO2)、高级脂肪酸钠和甘油,当向该滤液中滴加稀硫酸时,其中的Na[Al(OH)4](或NaAlO2)可与稀硫酸反应得到Al(OH)3沉淀。
(2)“滤饼①”的成分为Ni、Fe及其氧化物,用稀硫酸“酸浸”时可得到NiSO4、FeSO4、Fe2(SO4)3等,则滤液②中的金属阳离子有Ni2+、Fe2+、Fe3+。
(3)加H2O2溶液“转化”的目的是将Fe2+氧化为Fe3+,替代起氧化作用的H2O2溶液的可以为O2或空气,这样既能将Fe2+氧化,又不引进新杂质。
由于Fe2+开始沉淀、沉淀完全时的pH与Ni2+的相近,所以若工艺流程改为先“调pH”再“转化”,则“调pH”得到的仅为少量的Fe(OH)3沉淀,大部分Fe2+与Ni2+一起存在于溶液中,通过“转化”(氧化)使Fe2+转变为Fe3+,则“滤液③”中的杂质离子为氧化得到的Fe3+。
(4)根据Ni2+开始沉淀时的pH为7.2,可得Ni(OH)2的Ksp=c(Ni2+)·c2(OH-)=0.01×(107.2-14)2;根据Ni2+完全沉淀时的pH为8.7,也可得Ni(OH)2的Ksp=c(Ni2+)·c2(OH-)=10-5×(108.7-14)2或0.01×(107.2-14)2。
“调pH”是为了使Fe3+沉淀完全,根据Fe3+完全沉淀时的pH为3.2可知,pH≥3.2;同时不能使Ni2+沉淀,则Qc[Ni(OH)2]≤Ksp[Ni(OH)2],则c(Ni2+)·c2(OH-)≤0.01×(107.2-14)2,根据c(Ni2+)=1.0mol·L-1,可求得c(OH-)≤10-7.8mol·L-1,对应c(H+)≥10-6.2mol·L-1,则pH≤6.2,则“调pH”控制的pH范围是3.2~6.2。
(5)Ni2+被ClO-氧化为NiOOH,ClO-被还原为Cl-,根据电子守恒可配平得2Ni2++ClO-―→2NiOOH↓+Cl-,再依据电荷守恒可配平得2Ni2++ClO-+4OH-―→2NiOOH↓+Cl-,最后依据质量守恒得2Ni2++ClO-+4OH-═══2NiOOH↓+Cl-+H2O。
(6)母液中含有未结晶的硫酸镍,循环使用母液可提高镍的回收率。
【解题模型】以分离、提纯为主线的工艺流程题解题模板
第一步
从题干中获取有用信息,了解原料及需要分离、提纯的产品。
第二步
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。
第三步
分析流程中的每一个步骤,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。
第四步
从问题中获取信息,帮助解题。
题型2:
以物质制备为目的的工艺流程题
例2【2019年高考全国3卷26题】高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料,工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿(还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制备,工艺如下图所示。
回答下列问题:
相关金属离子[c0(Mn+)=0.1mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下:
金属离子
Mn2+
Fe2+
Fe3+
Al3+
Mg2+
Zn2+
Ni2+
开始沉淀的pH
8.1
6.3
1.5
3.4
8.9
6.2
6.9
沉淀完全的pH
10.1
8.3
2.8
4.7
10.9
8.2
8.9
(1)“滤渣1”含有S和__________________________;写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式____________________________________________________。
(2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用是将________________________。
(3)“调pH”除铁和铝,溶液的pH范围应调节为_______~6之间。
(4)“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+,“滤渣3”的主要成分是______________。
(5)“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。
若溶液酸度过高,Mg2+沉淀不完全,原因是_________________________________________________________。
(6)写出“沉锰”的离子方程式___________________________________________________。
(7)层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料,其化学式为LiNixCoyMnzO2,其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。
当x=y=
时,z=___________。
【答案】
(1)SiO2(不溶性硅酸盐)MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O
(2)将Fe2+氧化为Fe3+(3)4.7(4)NiS和ZnS
(5)F−与H+结合形成弱电解质HF,MgF2
Mg2++2F−平衡向右移动
(6)Mn2++2
=MnCO3↓+CO2↑+H2O(7)
【解析】
(1)硫化锰矿中硅元素主要以SiO2或不溶性硅酸盐形式存在,则“滤渣1”的主要成分为S和SiO2(或不溶性硅酸盐)。
结合“滤渣1”中含S,可知“溶浸”时MnO2与MnS在酸性条件下发生氧化还原反应生成MnSO4和S,根据化合价升降法可配平该反应的化学方程式。
(2)“溶浸”后溶液中含Fe2+,“氧化”中加入的适量MnO2能将Fe2+氧化为Fe3+。
(3)“调pH”除去Fe3+和Al3+时,结合表格中数据信息可知需控制溶液的pH在4.7~6之间。
(4)“除杂1”中加入Na2S能将Zn2+和Ni2+分别转化为沉淀除去,故“滤渣3”的主要成分为NiS和ZnS。
(5)“除杂2”中F-与Mg2+反应生成MgF2沉淀,若溶液酸度过高,则F-与H+结合生成弱电解质HF,导致MgF2(s)Mg2+(aq)+2F-(aq)平衡向右移动,Mg2+不能完全除去。
(6)“沉锰”时Mn2+与HCO
反应生成MnCO3并放出CO2,由此可写出离子方程式。
(7)化合物LiNixCoyMnzO2中,当x=y=
时,根据化合物中正负化合价代数和为0知1+2×
+3×
+4z-2×2=0,解得z=
。
例3【2018年高考全国3卷27题】
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)。
【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b③产生Cl2易污染环境等
【解析】
(1)KIO3的名称为碘酸钾。
(2)Cl2是一种易挥发且溶解度不大的气体,可通过加热法去除溶液中溶解的Cl2。
加入KOH溶液“调pH”使KH(IO3)2转化为KIO3:
KH(IO3)2+KOH===2KIO3+H2O。
(3)①电解法制备KIO3时,H2O在阴极得到电子,发生还原反应:
2H2O+2e-===2OH-+H2↑。
②电解池中阳离子向阴极移动,即由电极a向电极b迁移,阳离子交换膜只允许阳离子通过,故主要是K+通过阳离子交换膜。
③根据工艺流程分析,KClO3氧化法生成的Cl2有毒,且在调pH时加入KOH的量不易控制,另外,生成的KIO3中杂质较多。
【解题模型】物质制备型化工流程题的解题模板
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
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