高考化学复习专题四化学实验化学工艺流程学案.docx
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高考化学复习专题四化学实验化学工艺流程学案
第17讲 化学工艺流程
最新考纲
考向分析
1.建立分析解决材料、环境、健康、能源等领域关于物质的制备和应用等实际问题和思路方法。
2.认识物质性质、设计物质转化的核心角度,形成认识途径,并将其应用于解决真实问题,进而形成解决问题的思路和方法。
3.认识物质的转化在自然资源利用和环境保护中的重要价值。
1.以化工流程为载体,常考查:
(1)实验操作目的分析。
(2)实验操作规范判断。
2.以物质制备和提纯为情境,考查:
(1)陌生物质化合价的判断及电子式的书写。
(2)反应方程式或离子方程式的书写。
(3)流程中试剂的选择,中间产物的种类及离子判断。
(4)实验操作规范语言的表述。
(5)实验操作试剂的选取。
(6)流程的中间环节物质种类及离子判断。
(7)样品中质量分数及产物产率的计算。
考点一 物质制备型
Z
(课前)
1.(2017·全国Ⅰ·27)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料,可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3,还含有少量MgO、SiO2等杂质)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。
由图可知,当铁的浸出率为70%时,所采用的实验条件为_100℃、2190℃、5h__。
(2)“酸浸”后,钛主要以TiOCl
形式存在,写出相应反应的离子方程式FeTiO3+4H++4Cl-===Fe2++TiOCl
+2H2O 。
(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40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因_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)Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4,其中过氧键的数目为_4__。
(5)若“滤液②”中c(Mg2+)=0.02mol·L-1,加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍),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?
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 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2FePO4+Li2CO3+H2C2O4 2LiFePO4+3CO2↑+H2O↑ 。 [解析] (1)从图象直接可以看出,铁的浸出率为70%时对应的温度、时间,符合温度升高,反应速率加快,值得注意的是,这类填空题可能有多个合理答案。 (2)考查离子方程式书写。 难点为生成物还有什么,钛酸亚铁中钛为+4价,铁为+2价,产物有氯化亚铁,比较FeTiO3和TiOCl 知,产物中一定有H2O。 值得注意的是钛酸亚铁与盐酸反应是非氧化还原反应。 (3)联系化学反应速率、双氧水和氨水性质分析转化率。 这类问题要从两个角度分析,即低于40℃时,随着温度的升高,反应速率加快;高于40℃时,氨水挥发速率加快、双氧水分解速率加快,导致反应物浓度降低,结果转化率降低。 (4)考查化学式与元素化合价关系。 锂元素在化合物中只有一种化合价(+1),化合物中元素化合价代数和等于0,过氧键中氧显-1价,类似双氧水、过氧化钠。 如果能求出-1价氧原子个数,就能求出过氧键数目,即过氧键数目等于-1价氧原子个数的一半。 设Li4Ti5O15中-2价、-1价氧原子个数分别为x、y。 有: ,解得x=7,y=8。 所以,过氧键数目为 =4。 (5)考查溶度积计算以及判断沉淀是否形成。 分两步计算: ①计算铁离子完全沉淀时磷酸根离子浓度。 c(Fe3+)·c(PO )=Ksp(FePO4),c(PO )= mol·L-1=1.3×10-17mol·L-1。 ②混合后,溶液中镁离子浓度为c(Mg2+)=0.01mol·L-1,c3(Mg2+)·c2(PO )=0.013×(1.3×10-17)2=1.7×10-40 (6)草酸中碳为+3价,高温煅烧过程中铁的化合价降低,碳的化合价升高,有CO2生成。 2.(2018·北京·26)磷精矿湿法制备磷酸的一种工艺流程如下: 已知: 磷精矿主要成分为Ca5(PO4)3(OH),还含有 Ca5(PO4)3F和有机碳等。 溶解度: Ca5(PO4)3(OH) (1)上述流程中能加快反应速率的措施有_研磨、加热__。 (2)磷精矿粉酸浸时发生反应: 2Ca5(PO4)3(OH)+3H2O+10H2SO4 10CaSO4·0.5H2O+6H3PO4 ①该反应体现出酸性关系: H3PO4_<__H2SO4(填“>”或“<”)。 ②结合元素周期律解释①中结论: P和S电子层数相同,_核电荷数P (3)酸浸时,磷精矿中Ca5(PO4)3F所含氟转化为HF,并进一步转化为SiF4除去。 写出生成HF的化学方程式: 2Ca5(PO4)3F+10H2SO4+5H2O 10CaSO4·0.5H2O+6H3PO4+2HF__。 (4)H2O2将粗磷酸中的有机碳氧化为CO2脱除,同时自身也会发生分解。 相同投料比、相同反应时间,不同温度下的有机碳脱除率如图所示。 80℃后脱除率变化的原因: _80_℃后,H2O2分解速率大,浓度显著降低__。 (5)脱硫时,CaCO3稍过量,充分反应后仍有SO 残留,原因是_CaSO4微溶__;加入BaCO3可进一步提高硫的脱除率,其离子方程式是BaCO3+SO +2H3PO4===BaSO4+CO2↑+H2O+2H2PO 。 (6)取ag所得精制磷酸,加适量水稀释,以百里香酚酞作指示剂,用bmol·L-1NaOH溶液滴定至终点时生成Na2HPO4,消耗NaOH溶液cmL。 精制磷酸中H3PO4的质量分数是 。 (已知: H3PO4摩尔质量为98g·mol-1) [解析] (1)可通过增大接触面积和升高温度等措施加快反应速率。 通过题给流程可知,能够加快反应速率的措施有研磨和加热。 (2)①由强酸制弱酸规律可知,硫酸的酸性强于磷酸的酸性。 ②根据两者电子层数相同,可判断两者处于同一周期,且S在P的右侧,核电荷数P (3)已知反应物为Ca5(PO4)3F和H2SO4,生成物为CaSO4·0.5H2O、H3PO4和HF,再根据原子个数守恒可写出该反应的化学方程式: 2Ca5(PO4)3F+10H2SO4+5H2O 10CaSO4·0.5H2O+6H3PO4+2HF。 (4)由题意可知,H2O2在氧化有机碳时,自身也会发生分解,且分解速率随温度的升高而加快,因此80℃后脱除率降低。 (5)硫酸钙是微溶物,存在溶解平衡,因此反应后的溶液中仍含有SO 。 由题给信息可知,反应物为BaCO3、SO 和H3PO4,生成物为BaSO4、CO2、H2PO 和水,由此可写出该反应的离子方程式: BaCO3+SO +2H3PO4===BaSO4+CO2↑+H2O+2H2PO 。 (6)由题意知,消耗氢氧化钠的物质的量为 mol,当生成Na2HPO4时,参加反应磷酸的物质的量为 mol,即磷酸的质量为 g,则磷酸的质量分数为 = 。 3.(2017·全国Ⅲ)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_2∶7__。 该步骤不能使用陶瓷容器,原因是_陶瓷在高温下会与Na2CO3反应__。 (2)滤渣1中含量最多的金属元素是_Fe__,滤渣2的主要成分是_Al(OH)3__及含硅杂质。 (3)步骤④调滤液2的pH使之变_小__(填“大”或“小”),原因是2CrO +2H+Cr2O +H2O (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_d__(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_复分解反应__。 (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 ×100% 。 [解析] (1)1molFeO·Cr2O3参与反应共失去7mol电子,而1molNaNO3参与反应得到2mol电子,根据得失电子守恒,二者的系数比为2∶7。 由于高温下碳酸钠能与陶瓷中的二氧化硅发生反应,所以该步骤不能使用陶瓷容器。 (2)步骤①中生成的氧化铁因不溶于水而进入滤渣1,所以滤渣1中含量最多的金属元素是Fe。 结合流程图可知,滤渣2的主要成分是氢氧化铝及含硅杂质。 (3)滤液2中存在平衡: 2CrO +2H+Cr2O +H2O,氢离子浓度越大(pH越小),越有利于平衡正向移动,所以步骤④应调节滤液2的pH使之变小。 (4)根据题图,可知温度越低,K2Cr2O7的溶解度越小,析出的重铬酸钾固体越多,故d项正确。 步骤⑤中发生的反应为Na2Cr2O7+2KCl===K2Cr2O7↓+2NaCl,其属于复分解反应。 (5)该铬铁矿粉中Cr2O3的物质的量为 ,根据Cr元素守恒可求得K2Cr2O7的理论质量m0= ,根据Cr元素守恒可求得K2Cr2O7的理论质量为m0= ×294g·mol-1×10-3kg·g-1= kg,所以产品的产率为 ×100%= ×100%。 R (课堂) 知能补漏 1.解题思路: 明确整个流程的原料与目的→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。 (1)要粗读试题,尽量弄懂流程图,但不必将每一种物质都推出。 (2)再精读试题,根据问题去精心研究某一步或某一种物质。 (3)要看清所问问题,不能答非所问,并注意语言表达的科学性。 2.得分策略 (1)细心审题是关键,从题干中获得有用信息,了解制备的产品。 (2)认真分析是核心,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,知道反应物是什么,发生了什么反应,该反应造成了什么后果,对制造产品有什么作用。 (3)正确表达是保障。 ①条理清晰,规范专业术语,准确使用化学语言及符合解答试题。 ②在回答文字类表述题时,要组织语言,言简意赅,准确定位。 ③避免丢三落四、遗漏答案、讨论不完整、以偏概全等现象出现。 B (课后) 1.(2016·北京)以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料,制备高纯PbO,实现铅的再生利用。 其工作流程如下: (1)过程Ⅰ中,在Fe2+催化下,Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 。 (2)过程Ⅰ中,Fe2+催化过程可表示为: ⅰ: 2Fe2++PbO2+4H++SO ===2Fe3++PbSO4+2H2O ⅱ: …… ①写出ⅱ的离子方程式: 2Fe3++Pb+SO ===2Fe2++PbSO4 。 ②下列实验方案可证实上述催化过程。 将实验方案补充完整。 a.向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液,溶液几乎无色,再加入少量PbO2,溶液变红。 b._取a中红色溶液,向其中加入铅粉后,红色褪去__。 (3)PbO溶解在NaOH溶液中,存在平衡: PbO(s)+NaOH(aq)NaHPbO2(aq),其溶解度曲线如图所示。 ①过程Ⅱ的目的是脱硫。 滤液Ⅰ经处理后可在过程Ⅱ中重复使用,其目的是_A、B__(选填序号)。 A.减少PbO的损失,提高产品的产率 B.重复利用NaOH,提高原料的利用率 C.增加Na2SO4浓度,提高脱硫效率 ②过程Ⅱ的目的是提纯。 结合上述溶解度曲线,简述过程Ⅲ的操作: _向PbO粗品中加入一定量的35%NaOH溶液,加热至110℃,充分溶解后,趁热过滤,冷却结晶,过滤得到PbO固体__。 [解析] (1)根据题给化学工艺流程知,过程Ⅰ中,在Fe2+催化下,Pb、PbO2和H2SO4反应生成PbSO4和水,化学方程式为Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。 (2)①催化剂通过参加反应,改变反应历程,降低反应的活化能,加快化学反应速率,而本身的质量和化学性质在反应前后保持不变。 根据题给信息知,反应ⅰ中Fe2+被PbO2氧化为Fe3+,则反应ⅱ中Fe3+被Pb还原为Fe2+,离子方程式为2Fe3++Pb+SO ===PbSO4+2Fe2+。 ②a实验证明发生了反应ⅰ,则b实验须证明发生了反应ⅱ,实验方案为: 取a中红色溶液少量,加入过量铅粉,充分反应后,红色褪去。 (3)①过程Ⅱ的目的是除硫,操作过程中会加入过量的NaOH,通过题给条件可知,部分PbO溶解在NaOH溶液中,故滤液1中会有过量的NaOH和PbO溶解在NaOH溶液中产生的NaHPbO2,重复使用滤液Ⅰ,可减少PbO的损失,提高产率,且NaOH也得到了重复利用,提高了原料的利用率。 ②过程Ⅲ是从粗产品中得到纯产品,结合溶解度曲线,可选用重结晶操作。 根据条件可知,粗品中含有炭黑,需要趁热过滤,然后冷却结晶,过滤得到纯产品。 2.(2018·邯郸一模)锰的用途非常广泛,在钢铁工业中,锰的用量仅次于铁。 以碳酸锰矿(主要成分为MnCO3,还含有铁、镍、钴等碳酸盐杂质)为原料生产金属锰的工艺流程如下: 已知25℃,部分物质的溶度积常数如下: 物质 Mn(OH)2 Co(OH)2 Ni(OH)2 MnS CoS NiS Ksp 2.1×10-13 3.0×10-16 5.0×10-16 1.0×10-11 5.0×10-22 1.0×10-22 (1)步骤Ⅰ中,MnCO3与硫酸反应的化学方程式是MnCO3+H2SO4===MnSO4+CO2↑+H2O 。 (2)步骤Ⅰ中需要加入稍过量的硫酸,其目的有3点: ①使矿物中的物质充分反应;②提供第Ⅱ步氧化时所需要的酸性环境;③_抑制Mn2+的水解__。 (3)步骤Ⅱ中,MnO2在酸性条件下可将Fe2+氧化为Fe3+,该反应的离子方程式是MnO2+2Fe2++4H+===Mn2++2Fe3++2H2O ;加氨水调节溶液的pH为5.0~6.0,以除去Fe3+。 (4)步骤Ⅲ中,需要用到的玻璃仪器除玻璃棒、漏斗外,还有_烧杯__;滤渣2的主要成分为_CoS和NiS__。 (5)电解后的废水中还含有Mn2+,常用石灰乳进行一级沉降得到Mn(OH)2沉淀,过滤后再向滤液中加入适量Na2S,进行二级沉降。 欲使溶液中c(Mn2+)≤1.0×10-5mol·L-1,则应保持溶液中c(S2-)≥_1×10-6__mol·L-1。 [解析] (1)加稀硫酸时MnCO3和硫酸反应生成可溶性MnSO4,并产生二氧化碳和水,反应的化学方程式为MnCO3+H2SO4===MnSO4+CO2↑+H2O。 (2)Mn2+易水解,加入过量硫酸,还能抑制Mn2+水解。 (3)步骤Ⅱ中,MnO2在酸性条件下将Fe2+氧化为Fe3+,反应的离子方程式是MnO2+2Fe2++4H+===Mn2++2Fe3++2H2O。 (4)过滤时的玻璃仪器有烧杯、玻璃棒及漏斗,故还需烧杯;滤渣2的主要成分是CoS和NiS。 (5)MnS的Ksp=c(Mn2+)c(S2-)=1.0×10-11,为了使c(Mn2+)≤1.0×10-5mol·L-1,则c(S2-)≥ =1.0×10-6(mol·L-1),即c(S2-)≥1.0×10-6mol·L-1。 3.(2018·全国Ⅲ·27)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_碘酸钾__。 (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_加热__。 “滤液”中的溶质主要是_KCl__。 “调pH”中发生反应的化学方程式为KH(IO3)2+KOH===2KIO3+H2O或(HIO3+KOH===KIO3+H2O) 。 (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2H2O+2e-===2OH-+H2↑ 。 ②电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为_K+__,其迁移方向是_由a到b__。 ③与“电解法”相比,“KClO3氧化法”的主要不足之处有_产生Cl2易污染环境等__(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,从而避免引入新的杂质离子。 (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。 考点二 物质分离提纯型 Z (课前) 1.(2017·天津)某混合物浆液含有Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。 考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出,某研究小组利用设计的电解分离装置(见图),使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液,并回收利用。 回答Ⅰ和Ⅱ中的问题。 固体混合物分离利用的流程图 Ⅰ.固体混合物的分离和利用(流程图中的部分分离操作和反应条件未标明) (1)反应①所加试剂NaOH的电子式为 - 。 B→C的反应条件为_加热(或煅烧)__,C→Al的制备方法称为_电解法__。 (2)该小组探究反应②发生的条件。 D与浓盐酸混合,不加热,无变化;加热有Cl2生成,当反应停止后,固体有剩余,此时滴加硫酸,又产生Cl2。 由此判断影响该反应有效进行的因素有(填序号)_ac__。 a.温度 b.Cl-的浓度 c.溶液的酸度 (3)0.1molCl2与焦炭、TiO2完全反应,生成一种还原性气体和一种易水解成TiO2·xH2O的液态化合物,放热4.28kJ,该反应的热化学方程式为2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)===TiCl4(l)+2CO(g) ΔH=-85.6kJ·mol-1 。 Ⅱ.含铬元素溶液的分离和利用 (4)用惰性电极电解时,CrO 能从浆液中分离出来的原因是_在直流电场作用下,CrO 通过阴离子交换膜向阳极室移动,脱离浆液__,分离后含铬元素的粒子是_CrO 和Cr2O __;阴极室生成的物质为_NaOH和H2__(写化学式)。 [解析] (1)NaOH由Na+和OH-构成,电子式为 。 根据题中图示转化关系,向溶液A中通人CO2,发生反应: NaAlO2+2H2O+CO2===Al(OH)3↓+NaHCO3,沉淀B为Al(OH)3,固体C为Al2O3,B→C的反应条件为加热或煅烧,Al2O3→Al的制备方法为电解熔融氧化铝。 (2)根据“D与浓盐酸混合,不加热,无变化;加热有Cl2生成”知温度对反应有影响;滴加硫酸,引入H+,又产生Cl2,说明溶液的酸度对反应有影响。 (3)该还原性气体为CO,易水解生成TiO2·xH2O的液态化合物为TiCl4,反应的化学方程式为2Cl2(g)+TiO2(s)+2C(s)===TiCl4(l)+2CO(g),结合题意知ΔH=- ×2=-85.6kJ·mol-1。 (4)题图2中电解分离装置采用离子交换膜,根据电解时阴离子向阳极移动,则在直流电场作用下,CrO 通过阴离子膜向阳极室移动,脱离浆液。 在阳极室,CrO 发生可逆反应: 2CrO +2H+Cr2O +H2O,故分离后含铬元素的粒子是CrO 、Cr2O 。 在阴极室,H2O放电: 2H2O+2e-===H2↑+2OH-,c(OH-)增大,且Na+向阴极室移动,故阴极室生成的物质为NaOH、H2。 2.(2018·全国Ⅰ·27)焦亚硫酸钠(Na2S2O5)在医药、橡胶、印染、食品等方面应用广泛。 回答下列问题: (1)生产Na2S2O5,通常是由NaHSO3过饱和溶液经结晶脱水制得。 写出该过程的化学方程式2NaHSO3===Na2S2O5+H2O 。 (2)利用烟道气中的SO2生产Na2S2O5的工艺为: ①pH=4.1时,Ⅰ中为_NaHSO3__溶液(写化学式)。 ②工艺中加入Na2CO3固体、并再次充入SO2的目的是_得到NaHSO3过饱和溶液__。 (3)制备Na2S2O5也可采用三室膜电解技术,装置如图所示,其中SO2碱吸收液中含有NaHSO3和Na2SO3。 阳极的电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑ 。 电解后,_a__室的NaHSO3浓度增加。 将该室溶液进行结晶脱水,可得到Na2S2O5。 (4)Na2S2O5可用作食品的抗氧化剂。 在测定某葡萄酒中Na2S2O5残留量时,取50.00mL葡萄酒样品,用0.01000mol·L-1的碘标准液滴定至终点,消耗10.00mL。 滴定反应的离子方程式为S2O +2I2+3H2O===2SO +4I-+6H+ ,该样品中Na2S2O5的残留量为_0.128__g·L-1(以SO2计)。 [解析] (1)根据题给信息,将NaHSO3过饱和溶液结晶脱水可得到Na2S2O5,则化学方程式为2NaHSO3===Na2S2O5+H2O。 (2)①酸性条件下,SO2与Na2CO3溶液生成NaHSO3。 ②工艺中加入Na2CO3固体并再次通入SO2,其目的是得到NaHSO3过饱和溶液。 (3)阳极上阴离子OH-放电,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,电解过程中H+透过阳离子交换膜进入a室,故a室中NaHSO3浓度增加。 (4)根据电子、电荷及质量守恒,可写出反应的离子方程式为S2O +2I2+3H2O===2SO +4I-+6H+。 n(S2O )= ×n(I2)= ×0.01000mol·L-1×10.00×10-3L=5×10-5mol,该样品中S2O 的残留量(以SO2计)为5×10-5mol×2×64g·mol-1× =0.128g·L-1。 R (课堂) 知能补漏 1.物质提纯流程题的解题思路: (S,得电子能力PS,得电子能力P
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- 高考 化学 复习 专题 四化 实验 工艺流程