高考化学备考以物质性质为基础的化工工艺综合题.docx
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高考化学备考以物质性质为基础的化工工艺综合题
无机化工流程题因其文字较少、涉及知识点较多,并能较好地考查信息处理、推理等能力而成为近年来高考命题的热点题型。
化学工艺流程题以工业生产实际为载体,以元素化合物知识为基础,综合考查化学实验基本操作,物质的性质、制备和转化,环境保护等知识,它将实验、元素化合物和化学理论有机地结合在一起,综合性强,是化学Ⅱ卷考查的重头戏。
试题以流程图为背景,阅读量大,对信息的提取和处理能力要求较高。
考查的知识全面,既要对双基熟练掌握,又要有应用知识解决化工生产中有关问题的迁移推理能力。
【例题1】TiCl4是由钛精矿(主要成分为TiO2)制备钛(Ti)的重要中间产物,制备纯TiCl4的流程示意图如下:
资料:
TiCl4及所含杂质氯化物的性质
化合物
SiCl4
TiCl4
AlCl3
FeCl3
MgCl2
沸点/℃
58
136
181(升华)
316
1412
熔点/℃
−69
−25
193
304
714
在TiCl4中的溶解性
互溶
——
微溶
难溶
(1)氯化过程:
TiO2与Cl2难以直接反应,加碳生成CO和CO2可使反应得以进行。
已知:
TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g)ΔH1=+175.4kJ·mol-1
2C(s)+O2(g)=2CO(g)ΔH2=-220.9kJ·mol-1
①沸腾炉中加碳氯化生成TiCl4(g)和CO(g)的热化学方程式:
_______________________。
②氯化过程中CO和CO2可以相互转化,根据如图判断:
CO2生成CO反应的ΔH_____0(填“>”“<”或“=”),判断依据:
_______________。
③氯化反应的尾气须处理后排放,尾气中的HCl和Cl2经吸收可得粗盐酸、FeCl3溶液,则尾气的吸收液依次是__________________________。
④氯化产物冷却至室温,经过滤得到粗TiCl4混合液,则滤渣中含有_____________。
(2)精制过程:
粗TiCl4经两步蒸馏得纯TiCl4。
示意图如下:
物质a是______________,T2应控制在_________。
【答案】
(1)①TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g)△H=-45.5kJ/mol
②>随温度升高,CO含量增大,说明生成CO的反应是吸热反应
③H2O、FeCl2溶液、NaOH溶液④MgCl2、AlCl3、FeCl3
(2)SiCl4高于136℃,低于181℃
【解析】
(1)①生成TiCl4和CO的反应方程式为TiO2+2Cl2+2C=TiCl4+2CO,根据盖斯定律,两式相加,得到TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g)△H=ΔH1+ΔH2=(-220.9kJ·mol-1)+(+175.4kJ·mol-1)=-45.5kJ·mol-1。
②根据图像,随着温度的升高,CO的浓度增加,CO2浓度降低,说明升高温度,平衡
【名师点睛】本题以钛精矿制备纯TiCl4的流程为素材,主要考查盖斯定律和热化学方程式、化学平衡移动、HCl及Cl2尾气的利用和吸收、制备流程中物质关系、过滤、蒸馏实验等基础化学知识,考查考生对化学反应原理知识的综合应用能力和对已知信息的综合应用能力。
制备类工艺流程题一般由多步连续的操作组成,每一步操作都有其具体的目标、任务。
审题的重点要放在与题设有关操作的目标、任务上,分析时要从成本角度(原料是否廉价易得)、环保角度(是否符合绿色化学的要求)、现实角度等方面考虑;解答时要看框内,看框外,里外结合;边分析,边思考,易处着手;先局部,后全盘,逐步深入。
而且还要看清问题,不能答非所问。
要求用理论回答的试题应采用“四段论法”:
本题改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论→所以有什么变化→结论。
另外需要注意题干信息的提取和筛选,例如本题中:
①溶解性决定溶液中溶质及沉淀的成分,表格中信息则可以得到TiCl4液体中溶解的溶质及同时存在的沉淀成分。
②工业过程中有毒、有污染的尾气都需要进行处理防止污染。
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【例题2】某科研小组采用如下方案回收一种光盘金属层中的少量Ag(金属层中其他金属含量过低,对实验的影响可忽略)。
已知:
①NaClO溶液在受热或酸性条件下易分解,如:
3NaClO
2NaCl+NaClO3
②AgCl可溶于氨水:
AgCl+2NH3·H2O
Ag(NH3)2++Cl−+2H2O
③常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3)2+:
4Ag(NH3)2++N2H4·H2O
4Ag↓+N2↑+4NH4++4NH3↑+H2O
(1)“氧化”阶段需在80℃条件下进行,适宜的加热方式为__________________。
(2)NaClO溶液与Ag反应的产物为AgCl、NaOH和O2,该反应的化学方程式为________________。
HNO3也能氧化Ag,从反应产物的角度分析,以HNO3代替NaClO的缺点是____________________。
(3)为提高Ag的回收率,需对“过滤Ⅱ”的滤渣进行洗涤,并_______________________。
(4)若省略“过滤Ⅰ”,直接向冷却后的反应容器中滴加10%氨水,则需要增加氨水的用量,除因过量NaClO与NH3·H2O反应外(该条件下NaClO3与NH3·H2O不反应),还因为_____________________。
(5)请设计从“过滤Ⅱ”后的滤液中获取单质Ag的实验方案:
________________________(实验中须使用的试剂有:
2mol·L−1水合肼溶液,1mol·L−1H2SO4)。
【答案】
(1)水浴加热
(2)4Ag+4NaClO+2H2O
4AgCl+4NaOH+O2↑
会释放出氮氧化物(或NO、NO2),造成环境污染(3)将洗涤后的滤液合并入过滤Ⅱ的滤液中
(4)未过滤掉的溶液会稀释加入的氨水,且其中含有一定浓度的Cl−,不利于AgCl与氨水反应
(5)向滤液中滴加2mol·L−1水合肼溶液,搅拌使其充分反应,同时用1mol·L−1H2SO4溶液吸收反应中放出的NH3,待溶液中无气泡产生,停止滴加,静置,过滤、洗涤,干燥。
(3)为提高Ag的回收率,需对“过滤Ⅱ”的滤渣进行洗涤,洗涤的目的是为了把滤渣表面残存的银氨配离子洗涤下来,并将洗涤后的滤液合并入过滤Ⅱ的滤液中。
(4)若省略“过滤Ⅰ”,直接向冷却后的反应容器中滴加10%氨水,则需要增加氨水的用量,除因过量NaClO与NH3·H2O反应外,还因为未过滤掉的溶液会稀释加入的氨水,氨水的浓度变小,且其中含有一定浓度的Cl−,不利于AgCl与氨水发生AgCl+2NH3·H2O
Ag(NH3)2++Cl−+2H2O反应,使得银的回收率变小。
(5)“过滤Ⅱ”后的滤液含有银氨配离子,根据题中信息常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3)2+:
4Ag(NH3)2++N2H4·H2O
4Ag↓+N2↑+4NH4++4NH3↑+H2O,所以首先向该滤液中加入水合肼把银氨配离子充分还原,由于该反应产生所气体中含有氨气,氨气有强烈的刺激性气味会污染空气,所以要设计尾气处理措施,可以用题中提供的、要求必须使用的硫酸作尾气吸收剂把氨气吸
【名师点睛】本题以回收一种光盘金属层中的少量Ag的实验流程为载体,将实验原理的理解、实验试剂和仪器的选用、实验条件的控制、实验操作规范、实验方案的设计等融为一体,重点考查学生对实验流程的理解、实验装置的观察、信息的加工、实验原理和方法运用、实验方案的设计和评价等能力,也考查学生运用比较、分析等科学方法解决实际问题的能力和逻辑思维的严密性。
解题的关键是能读懂实验流程,分析实验各步骤的原理、目的、实验条件等。
设计实验方案时,根据限定必须使用的试剂,结合题中所给信息,注意反应条件的控制以及实验试剂的量的控制,按照“核心转化→尾气处理→产品分离→产品提纯”思路,对细节进行耐心的优化,直至得到完美方案。
1、解题思路
明确整个流程及每一部分的目的→仔细分析每步发生的反应及得到的产物→结合基础理论与实际问题思考→注意答题的模式与要点
在解这类题目时:
首先,要粗读试题,尽量弄懂流程图,但不必将每一种物质都推出。
其次,再精读试题,根据问题去精心研究某一步或某一种物质。
第三,要看清所问题,不能答非所问,并注意语言表达的科学性
在答题时应注意:
前一问回答不了,并不一定会影响回答后面的问题。
分析流程图需要掌握的技巧是:
①浏览全题,确定该流程的目的——由何原料获得何产物(副产物),对比原料和产物;
②了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息,并在下一步分析和解题中随时进行联系和调用;
③解析流程图并思考:
从原料到产品依次进行了什么反应?
利用了什么原理(氧化还原?
溶解度?
溶液中的平衡?
)。
每一步操作进行到什么程度最佳?
每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物?
杂质或副产物是怎样除去的?
无机化工题:
要学会看生产流程图,对于比较陌生且复杂的流程图,宏观把握整个流程,不必要把每个环节的原理都搞清楚,针对问题分析细节。
考察内容主要有:
①原料预处理
②反应条件的控制(温度、压强、催化剂、原料配比、PH调节、溶剂选择)
③反应原理(离子反应、氧化还原反应、化学平衡、电离平衡、溶解平衡、水解原理、物质的分离与提纯)
④绿色化学(物质的循环利用、废物处理、原子利用率、能量的充分利用)
⑤化工安全(防爆、防污染、防中毒)等。
2、规律
主线主产品分支副产品回头为循环
核心考点:
物质的分离操作、除杂试剂的选择、生产条件的控制产品分离提纯
3、工业生产流程主线与核心
4、熟悉工业流程常见的操作与名词
原料的预处理
①溶解通常用酸溶。
如用硫酸、盐酸、浓硫酸等
②灼烧如从海带中提取碘
③煅烧如煅烧高岭土改变结构,使一些物质能溶解。
并使一些杂质高温下氧化、分解
④研磨适用于有机物的提取如苹果中维生素C的测定等。
控制反应条件的方法
①控制溶液的酸碱性使其某些金属离子形成氢氧化物沉淀----pH值的控制。
②蒸发、反应时的气体氛围
③加热的目的加快反应速率或促进平衡向某个方向移动
④降温反应的目的防止某物质在高温时会溶解或为使化学平衡向着题目要求的方向移动
⑤趁热过滤防止某物质降温时会析出
⑥冰水洗涤洗去晶体表面的杂质离子,并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗
物质的分离和提纯的方法
①结晶——固体物质从溶液中析出的过程(蒸发溶剂、冷却热饱和溶液、浓缩蒸发)
②过滤——固、液分离
③蒸馏——液、液分离
④分液——互不相溶的液体间的分离
⑤萃取——用一种溶剂将溶质从另一种溶剂中提取出来。
⑥升华——将可直接气化的固体分离出来。
⑦盐析——加无机盐使溶质的溶解度降低而析出
常见名词
浸出:
固体加水(酸)溶解得到离子
浸出率:
固体溶解后,离子在溶液中的含量的多少
酸浸:
在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去的溶解过程
水洗:
通常为除去水溶性杂质
水浸:
与水接触反应或溶解
1.以工业生产硼砂所得废渣硼镁泥为原料制取MgSO4·7H2O的过程如图所示:
硼镁泥的主要成分如下表:
MgO
SiO2
FeO、Fe2O3
CaO
Al2O3
B2O3
30%~40%
20%~25%
5%~15%
2%~3%
1%~2%
1%~2%
回答下列问题:
(1)“酸解”时应该加入的酸是_______,“滤渣1”中主要含有_________(写化学式)。
(2)“除杂”时加入次氯酸钙、氧化镁的作用分别是________、_______。
(3)判断“除杂”基本完成的检验方法是____________。
(4)分离滤渣3应趁热过滤的原因是___________。
【答案】
(1)H2SO4,SiO2;
(2)将Fe2+氧化为Fe3+;调节溶液pH,使Fe3+、Al3+以氢氧化物的形式沉淀除去;(3)取滤液将其酸化后滴加KSCN溶液,若溶液未变红,则说明除杂完全;(4)防止MgSO4·7H2O结晶析出。
【名师点睛】本题考查化学工艺流程,工艺流程题,就是将化工生产过程中的主要生产阶段即生产流程用框图形式表示出来,并根据生产流程中有关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。
制备类工艺流程题一般由多步连续的操作组成,每一步操作都有其具体的目标、任务。
审题的重点要放在与题设有关操作的目标、任务上,分析时要从成本角度(原料是否廉价易得)、环保角度(是否符合绿色化学的要求)、现实角度等方面考虑;解答时要看框内,看框外,里外结合;边分析,边思考,易处着手;先局部,后全盘,逐步深入。
而且还要看清问题,不能答非所问。
要求用理论回答的试题应采用“四段论法”:
本题改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论→所以有什么变化→结论。
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2.铝是应用广泛的金属。
以铝土矿(主要成分为Al2O3,含SiO2和Fe2O3等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下:
注:
SiO2在“碱溶”时转化为铝硅酸钠沉淀。
(1)“碱溶”时生成偏铝酸钠的离子方程式为_____________________。
(2)向“过滤Ⅰ”所得滤液中加入NaHCO3溶液,溶液的pH_________(填“增大”、“不变”或“减小”)。
(3)“电解Ⅰ”是电解熔融Al2O3,电解过程中作阳极的石墨易消耗,原因是___________。
(4)“电解Ⅱ”是电解Na2CO3溶液,原理如图所示。
阳极的电极反应式为_____________________,阴极产生的物质A的化学式为____________。
(5)铝粉在1000℃时可与N2反应制备AlN。
在铝粉中添加少量NH4Cl固体并充分混合,有利于AlN的制备,其主要原因是_____________________。
【答案】
(1)Al2O3+2OH−=2AlO2-+H2O
(2)减小(3)石墨电极被阳极上产生的O2氧化
(4)4CO32-+2H2O−4e−=4HCO3-+O2↑H2
(5)NH4Cl分解产生的HCl能够破坏Al表面的Al2O3薄膜
(2)为了提高铝土矿的浸取率,氢氧化钠溶液必须过量,所以过滤I所得滤液中含有氢氧化钠,加入碳酸氢钠溶液后,氢氧化钠与碳酸氢钠发生反应生成碳酸钠和水,所以溶液的pH减小。
(3)电解I过程中,石墨阳极上氧离子被氧化为氧气,在高温下,氧气与石墨发生反应生成气体,所以,石墨电极易消耗的原因是被阳极上产生的氧气氧化。
(4)由图中信息可知,生成氧气的为阳极室,溶液中水电离的OH−放电生成氧气,破坏了水的电离平衡,碳酸根结合H+转化为HCO3-,所以电极反应式为4CO32-+2H2O−4e−=4HCO3-+O2↑,阴极室氢氧化钠溶液浓度变大,说明水电离的H+放电生成氢气而破坏水的电离平衡,所以阴极产生的物质A为H2。
(5)铝在常温下就容易与空气中的氧气反应生成一层致密的氧化膜。
氯化铵受热分解产生的氯化氢能够破坏铝表面的氧化铝薄膜,所以加入少量的氯化铵有利于AlN的制备。
【名师点睛】本题通过化工流程考查了课本上学过的从铝土矿提取铝的元素化合物的知识,在问题中又结合原料的循环利用考查了电解原理。
制备类工艺流程题一般由多步连续的操作组成,每一步操作都有其具体的目标、任务。
审题的重点要放在与题设有关操作的目标、任务上,分析时要从成本角度(原料是否廉价易得)、环保角度(是否符合绿色化学的要求)、现实角度等方面考虑;解答时要先看框内,后看框外,里外结合;边分析,边思考,易处着手;先局部,后全盘,逐步深入。
而且还要看清问题,不能答非所问。
要求用理论回答的试题应采用“四段论法”:
本题改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论或性质→所以有什么变化→结论,如本题最后一个问题,只要注意了铝表面易生成氧化膜和氯化铵受热易分解这两条性质,即可想到分解产物对氧化膜的作用,所以备考时,要多看课本上元素化合物方面内容,知道学了哪些,大多数的试题的根都在课本上。
3.锑(Sb)及其化合物在工业上有许多用途。
以辉锑矿(主要成分为Sb2S3,还含有PbS、As2S3、CuO、SiO2等)为原料制备金属锑的工艺流程如图所示:
已知:
①浸出液中除含过量盐酸和SbCl5之外,还含有SbCl3、PbCl2、AsCl3、CuCl2等;
②常温下:
Ksp(CuS)=1.27×10-36,Ksp(PbS)=9.04×10-29;
③溶液中离子浓度小于等于1.0×10-5mol·L-1时,认为该离子沉淀完全。
(1)滤渣1中除了S之外,还有___________(填化学式)。
(2)“浸出”时,Sb2S3发生反应的化学方程式为_______________。
(3)“还原”时,被Sb还原的物质为___________(填化学式)。
(4)常温下,“除铜、铅”时,Cu2+和Pb2+均沉淀完全,此时溶液中的c(S2-)不低于_________;所加Na2S也不宜过多,其原因为_____________________________。
(5)“电解”时,被氧化的Sb元素与被还原的Sb元素的质量之比为_________。
(6)一种突破传统电池设计理念的镁-锑液态金属储能电池工作原理如图所示:
该电池由于密度的不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成不变。
充电时,Cl-向_____(填“上”或“下”)移动;放电时,负极的电极反应式为_________。
【答案】SiO2Sb2S3+3SbCl5=5SbCl3+3SSbCl59.04×10-24mol·L-1产生H2S等污染性气体或生成Sb2S33︰2下Mg-2e-=Mg2+
(3)SbCl5中+价Sb被还原到+3价;正确答案:
SbCl5;
(5)+3价Sb被氧化到+5价,还原到0价;根据电子得失守恒规律:
被氧化的Sb与被还原的Sb的量之比为3:
2;正确答案:
3:
2;
(6)根据电流方向可知:
镁-锑液态金属极为正极,液镁为负极;放电时,氯离子向负极移动,充电时,氯离子向阳极移动,向镁-锑液态金属极方向移动;放电时溶液中的镁离子得电子变为金属镁;正极反应:
Mg2++2e-=Mg;正确答案:
下;Mg2++2e-=Mg;
4.MnCO3可用于制备活性电极材料MnO2。
以菱锰矿(含MnCO3、SiO2、FeCO3和少量Al2O3等)为原料制备碳酸锰粗产品的流程如下:
已知:
①常温下,Ksp[Fe(OH)3]=8.0×10-38,Ksp[Al(OH)3]=4.0×10-34。
②氢氧化物沉淀的条件:
Al3+、Fe3+完全沉淀的pH分别为4.6、3.4;Mn2+开始沉淀的pH为8.1。
(1)“酸浸”过程中不能用浓盐酸替代硫酸,原因是_________________________________。
(2)用离子方程式表示“氧化”过程中加MnO2的目的:
_______________________________。
(3)“调pH”时,向含有硫酸铁和硫酸铝的混合溶液中滴加氢氧化钠溶液至两种沉淀共存,当c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1时,c(Al3+)=______________mol·L-1。
(4)①“沉锰”过程中,反应的离子方程式为_____________________。
②“沉锰”过程中沉锰速率与温度的关系如图所示。
当温度高于60℃时,沉锰速率随着温度升高而减慢的原因可能是_____________________________。
(5)从滤液3中可分离出一种不含碳元素的氮肥,它的化学式为_____________________________。
(6)工业上,可以将碳酸锰制成硫酸锰,再用惰性电极电解酸性硫酸锰溶液来制备活性二氧化锰,电解时的阳极反应式为________________________________。
【答案】后续“氧化”过程中加入的二氧化锰会氧化浓盐酸MnO2+2Fe2++4H+===Mn2++2Fe3++2H2O0.05Mn2++2HCO3-===MnCO3↓+CO2↑+H2O温度过高时碳酸氢铵的分解速率显著加快,沉锰速率随碳酸氢铵浓度的减小而减慢(NH4)2SO4Mn2+-2e-+2H2O===MnO2+4H+
(1)“酸浸”过程中不能用浓盐酸替代硫酸,原因是:
后续“氧化”过程中加入的二氧化锰会氧化浓盐酸。
(2)“氧化”过程中加MnO2的目的:
将亚铁氧化成铁离子,便于除去。
用离子方程式表示MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O;(3)“调pH”时,向含有硫酸铁和硫酸铝的混合溶液中滴加氢氧化钠溶液至两种沉淀共存,当c(Fe3+)=1.0×10-5mol·L-1时,①Ksp[Fe(OH)3]=8.0×10-38=c(Fe3+)c3(OH-),②Ksp[Al(OH)3]=4.0×10-34=c(Al3+)c3(OH-),②比①式,解得:
c(Al3+)=0.05mol·L-1;(4)①“沉锰”过程中,MnCO3溶解度小,反应的离子方程式为Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O。
②当温度高于60℃时,沉锰速率随着温度升高而减慢的原因可能是:
温度过高时碳酸氢铵的分解速率显著加快,沉锰速率随碳酸氢铵浓度的减小而减慢;(5)从滤液3中含有硫酸铵、硫酸钠等,可分离出一种不含碳元素的氮肥,它的化学式为(NH4)2SO4。
(6)电解时的阳极发生氧化反应,反应式为Mn2+-2e-+2H2O=MnO2+4H+。
点睛:
本题考查物质制备工艺流程,涉及混合物的分离和提纯、氧化还原反应、有关溶解平衡常数的计算,信息获取与迁移运用等,侧重考查学生对知识的综合运用能力,需要学生具备扎实的基础,难点:
(3)溶解平衡常数的计算,两式相比消去c(OH-)。
题目难度中等。
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5.工业上以铬铁矿(主要成分为FeO·Cr2O3,含有Al2O3、SiO2等杂质)为原料生产重铬酸钠Na2Cr2O7·2H2O,其流程如下:
查阅资料得知:
①常温下,NaBiO3难溶于水,有强氧化性。
②常温下,Ksp[Cr(OH)3]=6.4×10-31Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38lg2.5=0.4
③物质溶解度曲线如图所示。
回答下列问题:
(1)Na2Cr2O7·2H2O铬的价态是____,H2O2的电子式为__________。
(2)NaBiO3的作用__________。
(3)滤渣D的成分是__________。
(4)操作a的名称是________、__________。
(5)电镀厂产生的镀铜废水中往往含有一定量的Cr2O72-。
处理该废水的流程为:
①流程中,Na2S2O3参与反应的的离子方程式__________。
②a=_______,Cr3+已沉淀完全[此时c(Cr3+)=1×10-5mol·L-1];若pH>a时,Cr(OH)3开始溶解,溶解时的离子方程式为_______。
【答案】+6
作氧化剂,氧化Cr3+Al(OH)3蒸发结晶趁热过滤
3S2O32-+4Cr2O72-+26H+=8Cr3++6SO42-+13H2O5.6Cr(OH)3+OH-=CrO2-+2H2O或Cr(OH)
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