届高考化学总复习第3章金属及其化合物学案三无机化学工艺流程配套练习新人教版.docx
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届高考化学总复习第3章金属及其化合物学案三无机化学工艺流程配套练习新人教版
学案三 无机化学工艺流程
【教学目标】
1.使学生了解化学工艺流程题的常见题型。
2.掌握化学工艺流程题的分析方法和技巧。
3.培养学生发散、联想、归纳、整合、提炼知识的能力。
【教学重点】 化学工艺流程题的分析方法和技巧。
【教学难点】 隐含信息的挖掘和计算能力的提升。
【考情分析】
命题点
五年考情
分析解读
以物质制备为主线的化学工艺流程
2017·全国Ⅲ,T27
2016·全国Ⅱ,T28
2015·全国Ⅰ,T27
化学工艺流程题是将化工生产中的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,是无机框图的创新。
它以现代工业生产为基础,与化工生产成本、产品提纯、环境保护等相融合,考查物质的制备、检验、分离或提纯等基本实验原理在化工生产中的实际应用,具有较强的实用性和综合性,是近几年高考化学试题的常考题型。
以分离提纯为主线的化学工艺流程
2017·全国Ⅰ,T27
2016·全国Ⅲ,T28
1.工艺流程题过程解读
(1)读流程图
①箭头:
箭头进入的是投料(反应物)、出去的是主产物或副产物(生成物)。
②三线:
出线和进线均表示物料流向或操作流程,可逆线表示物质循环。
(2)解题要点
①审题要点:
a.了解生产目的、原料及产品,b.了解题目提供的信息,c.分析各步的反应条件、原理及物质成分,d.理解物质分离、提纯、条件控制等操作的目的及要点。
②答题切入点:
a.原料及产品的分离提纯,b.生产目的及反应原理,c.生产要求及反应条件,d.有关产率、产量及组成的计算,e.绿色化学。
2.工艺流程题常见答题方向
工艺操作(结果)
目的评价(或操作名称)
方法措施
研磨(粉碎)
增大接触面积,加快反应(溶解)速率
煅烧(焙烧)
矿物分解、燃烧,转化为易溶于酸、碱的物质
水浸
利用水溶性把物质进行分离
酸浸(碱浸)
利用物质与酸(碱)反应除掉杂质或把目标物质转化为可溶性离子
控制条件
调节溶液pH
某些金属离子的沉淀,控制物质的溶解
控制温度
加快反应速率,促进平衡移动;物质的溶解、析出、挥发等
增大某反应物用量
增大另一反应物的转化率(产率)
某种试剂的选择
是否带入杂质、是否影响产品的纯度
分离提纯
不相溶液体
分液
相溶性液体
蒸馏
难溶性固体
过滤
易溶性固体
蒸发结晶、浓缩冷却结晶
趁热过滤
防止温度降低,某物质析出
冰水洗涤
减少晶体的溶解损失
乙醇、有机溶剂洗涤
减少晶体的水溶性损失
考点指导1 以物质制备为目的工艺流程
【典例1】
题头
挖掘题头信息
(2017·课标全国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:
题干
分析题干流程
题尾
知道题尾考查哪些问题
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
时,所采用的实验条件为____________
______________________________________________。
(2)“酸浸”后,钛主要以
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:
(4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4,其中过
为________________。
(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?
________________________________________________________________________(列式计算)。
(6)写出“高温煅烧②”中由
的化学方程式__________________________________。
【审题指导】
①分析图像,浸出率达到70%只有90℃、100℃两条曲线。
②反应物FeTiO3+H++Cl-,生成物TiOCl
+Fe2+,结合原子守恒和电荷守恒写出离子方程式。
③可以从温度、浓度、压强等方面考虑转化率的因素,结合考虑双氧水在高温下易分解、氨水中氨气会逸出。
④找出元素的常规价态,Li为+1价,O为-2价,Ti为+4价,O
中O为-1价,化学式变形为Li2Ti5(O2)xO15-2x,从化合价的代数和为零作答2+4×5-2x-2(15-2x)=0,计算得出结果x=4。
⑤由Ksp公式入手计算,Qc与Ksp的关系得出结论。
⑥流程题已经给出化学反应的反应物是FePO4和Li2CO3、草酸,生成物LiFePO4,分析化合价变化的元素,结合原子守恒和得失电子守恒写出方程式。
【答题规范】
(1)100℃、2h或90℃、5h
(2)FeTiO3+4H++4Cl-===Fe2++TiOCl
+2H2O
(3)低于40℃,TiO2·xH2O转化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+H2O↑+3CO2↑ 【评分细则】 (1)100℃、2h,90℃、5h(每一组1分,温度与时间对应一组) (2)FeTiO3+4H++4Cl-===Fe2++TiOCl +2H2O;(化学式均正确得1分,配平正确得1分) (3)低于40℃,TiO2·xH2O转化率随温度升高而增加(得1分);超过40℃,双氧水分解与氨气逸出导致TiO2·xH2O转化率下降(得1分) (4)4(2分) (5)Fe3+恰好沉淀完全时,c(PO )= mol·L-1=1.3×10-17mol·L-1(得2分),c3(Mg2+)·c2(PO )=0.013×(1.3×10-17)2=1.7×10-40 (6)2FePO4+Li2CO3+H2C2O4 2LiFePO4+H2O↑+3CO2↑(化学式均正确得1分,配平正确得2分) 【对点训练】 1.(2015·全国卷Ⅰ,27)硼及其化合物在工业上有许多用途。 以铁硼矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4,还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)为原料制备硼酸(H3BO3)的工艺流程如图所示: 回答下列问题: (1)写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式________________。 为提高浸出速率,除适当增加硫酸浓度外,还可采取的措施有_________________________ _____________________________________________________(写出两条)。 (2)利用________的磁性,可将其从“浸渣”中分离。 “浸渣”中还剩余的物质是____________________________________________(写化学式)。 (3)“净化除杂”需先加H2O2溶液,作用是________________________________。 然后再调节溶液的pH约为5,目的是_____________________________。 (4)“粗硼酸”中的主要杂质是________(填名称)。 (5)以硼酸为原料可制得硼氢化钠(NaBH4),它是有机合成中的重要还原剂,其电子式为________。 (6)单质硼可用于生产具有优良抗冲击性能的硼钢。 以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼,用化学方程式表示制备过程_______________________________。 解析 答案 (1)Mg2B2O5·H2O+2H2SO4 2MgSO4+2H3BO3 提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径 (2)Fe3O4 SiO2和CaSO4 (3)将Fe2+氧化为Fe3+ 使Al3+和Fe3+形成氢氧化物沉淀而除去 (4)(七水)硫酸镁 (5) (6)2H3BO3 B2O3+3H2O、B2O3+3Mg 2B+3MgO 2.(2017·海南化学,17)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________________________________ ______________________________________________________________ ___________________________________________________________。 解析 硼镁泥主要成分是MgO,还有CaO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质,酸溶时MgO、CaO、Fe2O3、FeO、Al2O3都和硫酸反应,SiO2不与硫酸反应,B2O3转化为H3BO3,则滤渣1为SiO2,次氯酸钙具有强氧化性,加入的次氯酸钙可把亚铁离子氧化成铁离子,MgO促进铁离子、铝离子水解,铁离子、铝离子转化为沉淀,则滤渣2为Al(OH)3、Fe(OH)3,浓缩过滤得到滤渣3为CaSO4,滤液中含镁离子、硫酸根离子,蒸发浓缩、冷却结晶得到硫酸镁晶体,以此来解答。 答案 (1)浓硫酸 SiO2 (2)氧化亚铁离子 促进铁离子、铝离子转化为沉淀 (3)溶液接近为无色 (4)温度对硫酸镁、硫酸钙的溶解度影响不同,温度越高,硫酸钙溶解度越小,可以采用蒸发浓缩,趁热过滤方法除去硫酸钙 考点指导2 以分离提纯为目的化学工艺流程 【典例2】 (2016·课标全国Ⅲ,28)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。 从废矾催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。 废钒催化剂的主要成分为: 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: 回答下列问题: (1)“酸浸”时V2O5转化为VO ,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VO2+变为VO ,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: 4ROH+V4O R4V4O12+4OH-(ROH为强碱性阴离子交换树脂)。 为了提高洗脱效率,淋洗液应该呈________性(填“酸”、“碱”或“中”)。 (5)“流出液”中阳离子最多的是________。 (6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀,写出“煅烧”中发生反应的化学方程式___________________________________________________________。 【解题流程】 解析 答案 (1)V2O5+2H+===2VO +H2O SiO2 (2)0.5 (3)Fe(OH)3、Al(OH)3 (4)碱 (5)K+ (6)2NH4VO3 V2O5+H2O↑+2NH3↑ 【对点训练】 3.湿法炼锌产生的铜镉渣主要含锌、镉(Cd)、铜、铁、钴(Co)等金属单质。 利用铜镉渣可生产Cu、Cd及ZnSO4·7H2O等,其生产流程如图: 如表是部分金属离子生成氢氧化物沉淀的pH(开始沉淀的pH按金属离子浓度为0.1mol·L-1计算): 氢氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Cd(OH)2 Zn(OH)2 开始沉淀的pH 1.9 7.0 7.2 5.4 沉淀完全的pH 3.2 9.0 9.5 8.2 请回答下列问题: (1)提高铜镉渣的“浸出”速率的措施有__________________________ _____________________________________________(写出1条即可)。 (2)Fe的金属性比Co强,该流程中“除钴”________(填“能”或“不能”)用Zn代替Fe,“除钴”中Fe发生反应的离子方程式是_______________________ _________________________________________________________。 (3)“除铁”操作中加入H2O2的目的是___________________________, 加入ZnO的目的是调节溶液pH,以除去溶液中的铁元素,调节溶液pH的范围为________,“除铁”操作中的沉淀成分是________(写化学式)。 (4)“电解”操作中,Cd2+在________极放电得到金属Cd,电极反应式是______________________________________________________________。 (5)“电解”后的电解废液是ZnSO4溶液,用该电解废液制备ZnSO4·7H2O的方法是______________________________________________________。 (6)“除钴”后的含钴废渣在空气中煅烧,煅烧后的成分测定如表: 元素 Co Zn Cu Fe 含量/% 59.00 0.52 0.20 13.16 则煅烧后所得固体混合物中,钴氧化物的化学式是__________________________________________________________。 解析 (1)升高温度、增大反应物表面积等均可提高反应速率。 (2)因Zn的金属性比Fe强,故可用Zn代替铁除钴。 除钴中Fe与Co2+发生置换反应生成Fe2+和Co。 (3)H2O2可氧化Fe2+,使之转化为Fe3+。 根据表格中的数据,可知欲除去溶液中的铁元素,需加入ZnO调节溶液pH的范围为3.2~5.4,此时Fe3+完全转化成Fe(OH)3沉淀。 (4)电解操作中Cd2+在阴极得电子生成单质Cd。 (5)从ZnSO4溶液中制备ZnSO4·7H2O的方法是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。 (6)由题意知,煅烧后所得固体为钴氧化物、ZnO、CuO、Fe2O3的混合物,设煅烧后所得固体质量为100g,结合题表中的数据可知,钴氧化物中m(O)=100g-59.00g-81g·mol-1×0.52g÷65g·mol-1-80g·mol-1×0.20g÷64g·mol-1-160g·mol-1×13.16g÷112g·mol-1=21.302g,则钴氧化物中n(O)=21.302g÷16g·mol-1=1.33mol,n(Co)=59.00g÷59g·mol-1=1.00mol,故钴氧化物的化学式为Co3O4。 答案 (1)适当升高浸取液温度(或将铜镉渣磨制成粉末等) (2)能 Fe+Co2+===Fe2++Co (3)将Fe2+氧化成Fe3+ 3.2~5.4 Fe(OH)3 (4)阴 Cd2++2e-===Cd (5)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤 (6)Co3O4 1.(2017·北京理综,26)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________。 解析 (1)①利用盖斯定律,将已知两个热化学方程式相加即可得出答案;②由图像可知,温度升高,二氧化碳减少,一氧化碳增多,有利于二氧化碳转化为一氧化碳;又因为温度升高平衡向吸热反应方向移动,所以二氧化碳生成一氧化碳的反应为吸热反应,故ΔH>0;③HCl气体溶于水即得到盐酸,所以在通其他水溶液之前先用水吸收HCl;之后用FeCl2溶液与Cl2反应生成FeCl3溶液;最后用NaOH溶液吸收尾气,防止污染空气;④由资料可知,冷却到室温时,滤渣中含有难溶于TiCl4的MgCl2,以及微溶于TiCl4的AlCl3和FeCl3。 (2)粗TiCl4中存在的杂质是SiCl4和微溶于TiCl4的AlCl3和FeCl3;先通过蒸馏的方式除去沸点较低的SiCl4,再控制温度在136℃~181℃,蒸馏得到纯净TiCl4。 答案 (1)①TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)===TiCl4(g)+2CO(g) ΔH=-45.5kJ/mol ②> 温度升高,CO含量升高,CO2含量减少,反应向生成CO的方向进行 ③水、FeCl2溶液、NaOH溶液 ④AlCl3、FeCl3、MgCl2 (2)SiCl4 136℃~181℃ 2.(2017·江苏化学,19)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) +Cl-+2H2O ③常温时N2H4·H2O(水合肼)在碱性条件下能还原Ag(NH3) : 4Ag(NH3) +N2H4·H2O===4Ag↓+N2↑+4NH +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)。 解析 (1)加热温度低于100℃,采用水浴加热,优点是便于控制温度,受热均匀。 (2)由题发生反应: Ag+NaClO+H2O―→AgCl+NaOH+O2↑,有Ag、Cl、O三种元素的化合价发生变化,因Ag、Cl原子个数比为1∶1,设Ag、NaClO的系数为1,则NaOH系数为1,Ag失去1e-,NaClO―→NaCl,得到2e-,根据电子守恒O2的系数为 ,根据原子守恒,H2O系数为 ,相应扩大4倍。 HNO3也能氧化Ag,但生成NOx会污染环境。 (3)滤渣沉淀时表面会附有溶质,因此洗涤液中含有Ag(NH3) ,将洗涤液并入过滤Ⅱ的滤液中,以提高利用率。 (4)若直接在溶液中加入氨水,一是稀释氨水,氨水的利用率低,二是原溶液中有氧化时生成的NaCl(见 (2)中反应),Cl-使可逆反应AgCl+2NH3·H2
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