2024届高考化学一轮复习 第三章 金属及其化合物 第5讲 无机化学工艺流程解题策略（67张PPT）

(共67张PPT)
第5讲　无机化学工艺流程解题策略(综合应用课)
该题型以工艺流程图的形式再现实际生产的关键环节，情境真实而富有意义，旨在引导学生学以致用，解决生产、生活中的实际问题，有利于培养学生的科学精神和社会责任感。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，温度控制在一定范围的原因分析，溶度积常数的有关计算等。工艺流程题是高考的热点题型，综合性强，难度较大，是高考试卷中的拉分题目之一。
1．(2022·全国甲卷)硫酸锌(ZnSO4)是制备各种含锌材料的原料，在防腐、电镀、医学上有诸多应用。硫酸锌可由菱锌矿制备。菱锌矿的主要成分为ZnCO3，杂质为SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制备流程如下：
离子 Fe3＋ Zn2＋ Cu2＋ Fe2＋ Mg2＋
Ksp 4.0×10－38 6.7×10－17 2.2×10－20 8.0×10－16 1.8×10－11
本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表：
(3)加入物质X调溶液pH＝5，最适宜使用的X是________(填标号)。
A．NH3·H2O　　B．Ca(OH)2　　C．NaOH
滤渣①的主要成分是__________、__________、__________。
(4)向80～90 ℃的滤液①中分批加入适量KMnO4溶液充分反应后过滤，滤渣②中有MnO2，该步反应的离子方程式为______________________________
_____________________________________________________________。
(5)滤液②中加入锌粉的目的是___________________________________
___________________________________________________________。
(6)滤渣④与浓H2SO4反应可以释放HF并循环利用，同时得到的副产物是__________、__________。
(3)NH3·H2O易分解产生NH3污染空气，且经济成本较高，故A不适宜；Ca(OH)2不会引入新的杂质，且成本较低，故B适宜；NaOH会引入杂质Na＋，且成本较高，C不适宜；当沉淀完全时(离子浓度小于10－5mol·L－1)，结合表格Ksp计算各离子完全沉淀时pH＜5的只有Fe3＋，故滤渣①中有Fe(OH)3，又CaSO4是微溶物，SiO2不溶于酸，故滤渣①的主要成分是Fe(OH)3、CaSO4、SiO2；
(4)向80～90 ℃滤液①中加入KMnO4溶液，可氧化Fe2＋，得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②，反应的离子方程式为3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋；
(5)滤液②中加入锌粉，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，故加入锌粉的目的为除去Cu2＋；(6)由分析，滤渣④为CaF2、MgF2，与浓硫酸反应可得到HF，同时得到的副产物为CaSO4、MgSO4。
2．(2022·广东等级考)稀土(RE)包括镧、钇等元素，是高科技发展的关键支撑。我国南方特有的稀土矿可用离子交换法处理，一种从该类矿(含铁、铝等元素)中提取稀土的工艺如下：
已知：月桂酸(C11H23COOH)熔点为44 ℃；月桂酸和(C11H23COO)3RE均难溶于水。该工艺条件下，稀土离子保持＋3价不变；(C11H23COO)2Mg的Ksp＝1.8×10－8，Al(OH)3开始溶解时的pH为8.8；有关金属离子沉淀的相关pH见下表。
离子 Mg2＋ Fe3＋ Al3＋ RE3＋
开始沉淀时的pH 8.8 1.5 3.6 6.2～7.4
沉淀完全时的pH / 3.2 4.7 /
(1)“氧化调pH”中，化合价有变化的金属离子是________。
(2)“过滤1”前，用NaOH溶液调pH至________的范围内，该过程中Al3＋发生反应的离子方程式为__________________________________________。
(3)“过滤2”后，滤饼中检测不到Mg元素，滤液2中Mg2＋浓度为2.7 g·L－1。为尽可能多地提取RE3＋，可提高月桂酸钠的加入量，但应确保“过滤2”前的溶液中c(C11H23COO－)低于______ mol·L－1(保留两位有效数字)。
(4)①“加热搅拌”有利于加快RE3＋溶出、提高产率，其原因是______________________________________________________________。
②“操作X”的过程为：先________，再固液分离。
(5)该工艺中，可再生循环利用的物质有________(写化学式)。
(6)稀土元素钇(Y)可用于制备高活性的合金类催化剂Pt3Y。
①还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1 mol Pt3Y转移________ mol电子。
②Pt3Y/C用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化O2的还原，发生的电极反应为__________________________________________。
(4)①“加热搅拌”有利于加快RE3＋溶出、提高产率，其原因是加热搅拌可加快反应速率；
② “操作X”的结果是分离出月桂酸，由信息可知，月桂酸(C11H23COOH)熔点为44 ℃，故“操作X”的过程为：先冷却结晶，再固液分离；
(5)由分析可知，该工艺中，可再生循环利用的物质有MgSO4；
(6)①YCl3中Y为＋3价，PtCl4中Pt为＋4价，而Pt3Y中金属均为0价，所以还原YCl3和PtCl4熔融盐制备Pt3Y时，生成1 mol Pt3Y转移15 mol电子；
②碱性溶液中，氢氧燃料电池正极发生还原反应，发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
答案：(1)Fe2＋
(2)4.7≤pH<6.2
Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓
(3)4.0×10－4
(4)①加热搅拌可加快反应速率　②冷却结晶
(5)MgSO4
(6)①15　②O2＋4e－＋2H2O===4OH－
1．试题呈现形式
2．准确识图析图
化工流程题的考点主要从以下6点设置 基本操作 除杂、分离、检验、洗涤、干燥等实验操作的步骤描述；加入某些试剂或某个操作步骤的目的描述
物质的分 离与提纯 通过调节pH使溶液中的金属离子沉淀达到分离除杂的目的，据此选择需要加入的化学试剂；加入某种物质使难溶物转化为更难溶的物质后，通过过滤除去等
化学反应速 率与化学平衡 理论的运用 例如，研磨使反应物颗粒变小，增大反应物间的接触面积，从而增大反应速率，提高原料利用率；升高温度能增大反应速率，使吸热反应平衡正向移动等
3．常见考查角度
化学方程式 或离子方程 式的书写 根据流程图及设问中的信息找出反应物和生成物，书写指定的化学方程式或离子方程式
环境与绿色 化学思想 流程中物质的转化和循环、资源的回收和利用、“三废”的来源、对环境的影响及处理措施等
化学计算 联系原料纯度、转化率、损失率、产物产率等计算产品质量；联系溶液配制、滴定操作测定样品中某元素含量或产品纯度；联系溶度积常数，计算溶液中某离子浓度或完全沉淀时的pH等
续表
4.掌握解题流程
(1)审题干——明确原料成分和目的要求
看箭头 进入的是原料(即反应物)；出去的是生成物(包括主产物和副产物)
看三线 主线主产品、分支副产品、回头为循环
找信息 明确反应条件控制和分离提纯方法
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
(2)审流程——明确各步转化原理和目的
不要 答非所问 要看清题目要求，按要求答题，防止答非所问
规范答题 回答问题要准确全面，注意语言表达的规范性，特别是化学用语的书写与表示要准确、规范
(3)审问题——明确答什么
[典例]　(2021·湖南等级考)Ce2(CO3)3可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铈(Ce)主要以CePO4形式存在，还含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaF2等物质。以独居石为原料制备Ce2(CO3)3·nH2O的工艺流程如下：
回答下列问题：
(1)铈的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为________。
(2)为提高“水浸”效率，可采取的措施有______________________(至少写两条)。
(3)滤渣Ⅲ的主要成分是________(填化学式)。
(4)加入絮凝剂的目的是______________________________________。
(5)“沉铈”过程中，生成Ce2(CO3)3·nH2O的离子方程式为________________________，常温下加入的NH4HCO3溶液呈______(填“酸性”“碱性”或“中性”)(已知：NH3·H2O的Kb＝1.75×10－5，H2CO3的Ka1＝4.4×10－7，Ka2＝4.7×10－11)。
(6)滤渣Ⅱ的主要成分为FePO4，在高温条件下，Li2CO3、葡萄糖(C6H12O6)和FePO4可制备电极材料LiFePO4，同时生成CO和H2O，该反应的化学方程式为___________________________________________________。
[解题流程]
第一步：审题干→明目的
原料成分：独居石，主要成分以CePO4形式存在，还含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaF2等杂质。
工艺目的：制备Ce2(CO3)3·nH2O。
第二步：审流程→理关系
焙烧浓硫酸和独居石的混合物，CePO4转化为Ce2(SO4)3和H3PO4，SiO2与硫酸不反应，Al2O3转化为Al2(SO4)3，Fe2O3转化为Fe2(SO4)3，CaF2转化为CaSO4和HF，酸性废气含HF
溶于水的物质为Ce2(SO4)3和H3PO4，Al2(SO4)3，Fe2(SO4)3，水浸的目的是除去滤渣Ⅰ(SiO2和CaSO4)
加入FeCl3溶液除磷，是为了把H3PO4转化为FePO4
除去
加入MgO，调节pH，是为了让铝离子、铁离子转化为沉淀除去，加入絮凝剂的目的是使悬浮粒子聚集变大，加快粒子聚沉速度，更快地形成沉淀
加碳酸氢铵沉铈是把Ce3＋沉淀得到Ce2(CO3)3·nH2O
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碱性
题型(一)　以物质制备为主体的化工流程
1．工艺流程中的常见专业术语
释义
研磨、雾化 将块状或颗粒状的物质磨成粉末或将液体分散成微小液滴，增大反应物接触面积，以加快反应速率或使反应更充分
灼烧 (煅烧) 使固体在高温下分解或改变结构、使杂质高温氧化、分解等。如煅烧石灰石、高岭土、硫铁矿
浸取 向固体中加入适当溶剂或溶液，使其中可溶性的物质溶解，包括水浸取、酸溶、碱溶、醇溶等
酸浸 在酸性溶液中使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去的过程
浸出率 固体溶解后，离子在溶液中的含量的多少
滴定 定量测定，可用于某种未知浓度物质的物质的量浓度的测定
酸作用 溶解、去氧化物(膜)、抑制某些金属离子的水解、除去杂质离子等
碱作用 去油污、去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅、调节pH、促进水解(沉淀)
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控制体 系的环 境氛围　 ①需要在酸性气流中干燥FeCl3、AlCl3、MgCl2等含水晶体，抑制水解并带走因分解产生的水汽。
②营造还原性氛围，防止还原性物质被氧化。如加入铁粉防止Fe2＋被氧化。
③加入氧化剂进行氧化。如加入绿色氧化剂H2O2将Fe2＋氧化为Fe3＋，绿色氧化剂H2O2的优点：不引入新杂质，对环境无污染
2．物质制备过程中的条件控制
控制反 应温度 ①加热：加速溶解、加快反应速率或促使平衡向某个方向移动(如促进水解生成沉淀)。
②降温：防止某物质在某温度时会溶解或分解，或促使平衡向某个方向移动。
③控制温度在一定范围内：综合多方面因素考虑。如使反应速率不至于太慢、抑制或促进平衡移动、防止反应物分解、防止副反应发生、使催化剂的催化活性最高等。
④如题目中出现了包括产物在内的各种物质的溶解度信息，则要根据它们溶解度随温度升高而改变的情况，寻找合适的结晶分离方法
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控制 溶液的pH ①调节溶液的酸碱性，抑制水解(或使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀)。
②“酸作用”还可除去氧化物(膜)。
③“碱作用”还可除去油污，除去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅等。
④特定的氧化还原反应需要的酸性条件(或碱性条件)
外界条件 对可逆反 应的控制 ①使催化剂的活性达到最高：如工业合成氨或SO2的催化氧化反应，选择的温度是500 ℃左右，原因之一就是该温度下可使催化剂的活性达到最高。
②对于一些工艺来说，降温或减压都可以减少能源成本，降低对设备的要求，达到绿色化学的目的
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[典例]　(2022·辽宁等级考)某工厂采用辉铋矿(主要成分为Bi2S3，含有FeS2、SiO2杂质)与软锰矿(主要成分为MnO2)联合焙烧法制备BiOCl和MnSO4，工艺流程如下：
已知：①焙烧时过量的MnO2分解为Mn2O3，FeS2转变为Fe2O3；
②金属活动性：Fe>(H)>Bi>Cu；
③相关金属离子形成氢氧化物的pH范围如下：
开始沉淀pH 完全沉淀pH
Fe2＋ 6.5 8.3
Fe3＋ 1.6 2.8
Mn2＋ 8.1 10.1
回答下列问题：
(1)为提高焙烧效率，可采取的措施为__________。
a．进一步粉碎矿石
b．鼓入适当过量的空气
c．降低焙烧温度
(2)Bi2S3在空气中单独焙烧生成Bi2O3，反应的化学方程式为______________________________________________________。
(3)“酸浸”中过量浓盐酸的作用为：
①充分浸出Bi3＋和Mn2＋；②______________。
(4)滤渣的主要成分为__________(填化学式)。
(5)生成气体A的离子方程式为_________________________________。
(6)加入金属Bi的目的是________________。
[解析]　联合焙烧：由已知信息①和第(2)问题干可知，发生转化：Bi2S3―→Bi2O3＋SO2、FeS2―→Fe2O3＋SO2、MnO2―→Mn2O3＋MnSO4，故联合焙烧后得到Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3、MnSO4和SiO2；
水浸：MnSO4进入滤液，滤渣为Bi2O3、Fe2O3、Mn2O3和SiO2；
酸浸：加入过量浓盐酸后，Bi2O3和Fe2O3发生转化：Bi2O3―→Bi3＋、Fe2O3―→Fe3＋，因Mn2O3有氧化性，会与浓盐酸发生氧化还原反应：Mn2O3＋6H＋＋2Cl－===2Mn2＋＋Cl2↑＋3H2O，气体A为Cl2，滤渣主要为不溶于浓盐酸的SiO2，滤液中金属离子为Bi3＋、Fe3＋、Mn2＋；
第(4)(5)问转化：由已知信息②知，Fe的金属活动性强于Bi，且调pH＝2.6时Mn2＋和Fe2＋进入滤液，可知加入金属Bi的目的是将Fe3＋还原为Fe2＋。(1)联合焙烧时，进一步粉碎矿石，可以增大矿石与空气的接触面积，能够提高焙烧效率，a符合题意；鼓入适当过量的空气有利于矿石充分反应，b符合题意；降低焙烧温度，反应速率减慢，不利于提高焙烧效率，c不符合题意；
[对点训练]
(2023·扬州模拟)工业以炼钢污泥(主要成分为铁的氧化物，还含有CaO、SiO2、C等杂质)为原料制备脱硫剂活性Fe2O3·H2O，并用该脱硫剂处理沼气中H2S的流程如图：
(2)“除杂”：若使还原后的滤液中Ca2＋完全沉淀(离子浓度小于10－6mol·
L－1)，则滤液中c(F－)需大于__________；若溶液的pH偏低，将会导致CaF2沉淀不完全，其原因是___________________________________
[Ksp(CaF2)＝1.44×10－10，Ka(HF)＝3.53×10－4]。
(3)“沉铁”：生成FeCO3沉淀的离子方程式为_______________________
____________________________________________________________。
(4)“脱硫、再生”：活性Fe2O3·H2O是一种固体脱硫剂(无水Fe2O3无脱硫作用)，其原理是将废气中的含硫化合物化学吸附到脱硫剂的孔隙中，发生反应改变其化学组成。当脱硫剂达到饱和后，
即不再具有脱硫能力，需要对其进行再生。利用活性Fe2O3·H2O脱除沼气中的H2S可转化成Fe2S3·H2O，其脱除及常温下再生的原理如图所示。
①“脱硫”反应的化学方程式为________________________________
_______________________________________________________________。
②工业上要求脱除及再生整个过程温度不能超过90 ℃，原因是_____________________________________________________________；多次“再生”后，脱硫剂的活性不断下降，脱硫效果明显变差的原因可能是____________________________________________________________。
(4)①根据反应原理可知在“脱硫”反应中，Fe2O3·H2O和H2S反应产生Fe2S3·H2O和H2O；②工业上要求脱除及再生整个过程温度不能超过90 ℃，这是由于温度超过90 ℃，Fe2O3·H2O和Fe2S3·H2O均会发生分解，失去结晶水，失去脱硫作用；多次“再生”后，脱硫剂的活性不断下降，脱硫效果明显变差的原因可能是由于多次“再生”后，脱硫剂表面的大部分孔隙被S或其他物质覆盖，使得脱硫剂的活性下降。
题型(二)　以物质分离提纯为主体的化工流程
1．常用的分离方法
过滤 分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法
萃取和 分液 利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴
蒸发结晶 提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl
冷却结晶 提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、CuCl2、CuSO4·5H2O、FeSO4·7H2O等
蒸馏 或分馏 分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油
冷却法 利用气体液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离平衡混合气体中的氨气
水溶法 除去可溶性杂质
酸溶法 除去碱性杂质
碱溶法 除去酸性杂质
氧化剂或还原剂法 除去还原性或氧化性杂质
加热灼烧法 除去受热易分解或易挥发的杂质
调节溶液的pH法 如除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等
2．常用的提纯方法
[注意]　物质分离提纯的原则
①不增：不引入新的杂质。
②不减：不减少被提纯的物质。
③易分离：被提纯物质与杂质易于分离。
④易复原：被提纯的物质易恢复原来的组成、状态。
[典例]　(2022·全国乙卷)废旧铅蓄电池的铅膏中主要含有PbSO4、PbO2、PbO和Pb。还有少量Ba、Fe、Al的盐或氧化物等。为了保护环境、充分利用铅资源，通过如图流程实现铅的回收。
难溶电解质 PbSO4 PbCO3 BaSO4 BaCO3
Ksp 2.5×10－8 7.4×10－14 1.1×10－10 2.6×10－9
一些难溶电解质的溶度积常数如下表：
金属氢氧化物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Al(OH)3 Pb(OH)2
开始沉淀的pH 2.3 6.8 3.5 7.2
完全沉淀的pH 3.2 8.3 4.6 9.1
一定条件下，一些金属氢氧化物沉淀时的pH如下表：
回答下列问题：
(1)在“脱硫”中PbSO4转化反应的离子方程式为__________________，用沉淀溶解平衡原理解释选择Na2CO3的原因__________________________
____________________________。
(2)在“脱硫”中，加入Na2CO3不能使铅膏中BaSO4完全转化，原因是
_________________________________________。
(3)在“酸浸”中，除加入醋酸(HAc)，还要加入H2O2。
(ⅰ)能被H2O2氧化的离子是____________；
(ⅱ)H2O2促进了金属Pb在醋酸中转化为Pb(Ac)2，其化学方程式为
_______________________________________________________；
(ⅲ)H2O2也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，H2O2的作用是_________________。
(4)“酸浸”后溶液的pH约为4.9，滤渣的主要成分是__________________。
(5)“沉铅”的滤液中，金属离子有______________。
[解析]　(1)PbCO3的Ksp远小于PbSO4的Ksp，易发生生成PbCO3的沉淀转化，且进行较为彻底。
(2)BaCO3的Ksp大于BaSO4的Ksp，不易发生生成BaCO3的沉淀转化，即使发生程度也很小。
(3)(ⅰ)过氧化氢有氧化性，亚铁离子有还原性，会被过氧化氢氧化为铁离子。(ⅱ)过氧化氢与Pb、HAc发生氧化还原反应生成Pb(Ac)2和H2O，反应的化学方程式为Pb＋H2O2＋2HAc===Pb(Ac)2＋2H2O。
(ⅲ)过氧化氢也能使PbO2转化为Pb(Ac)2，铅元素化合价由＋4价降低到了＋2价，PbO2是氧化剂，则过氧化氢是还原剂。
(4)酸浸后溶液的pH约为4.9，依据金属氢氧化物沉淀时的pH可知，滤渣主要成分为氢氧化铝、氢氧化铁。
(5)依据分析可知，加入碳酸钠不能使铅膏中的BaSO4完全转化，铁离子、铝离子转化成了氢氧化铁、氢氧化铝沉淀，铅转化成了氢氧化铅，最终变成了氧化铅，因此沉铅的滤液中，金属离子有Ba2＋和加入碳酸钠、氢氧化钠时引入的Na＋。
[对点训练]
(2023·济南模拟)铈可用作优良的环保材料，现以氟碳铈矿(CeFCO3，含Fe2O3、FeO等杂质)为原料制备铈，其工艺流程如图所示：
回答下列问题：
(1)粉碎后“焙烧”时，氧化数据如表所示：
空气氧化法 氧化温度/ ℃ 氧化率/% 氧化时间/h
暴露空气中 450～500 88 14
对流空气氧化炉中 450～500 98 6
(2)用盐酸和H3BO3提取Ce元素时，体现盐酸的性质有______________，“滤渣Ⅰ”用饱和KCl溶液溶解时发生复分解反应，则“滤渣Ⅱ”主要成分为_________________________________________________(填化学式)。　　　
(3)“滤液Ⅰ”中c(Ce3＋)＝0.1 mol·L－1，用氨水调pH的范围是__________，“滤液Ⅱ”中加入NH4HCO3反应的离子方程式为________________________________________，若Ce2(CO3)3经充分焙烧质量减少5.8 t，则获得CeO2的质量为__________t。
(4)用过量铝粉还原CeO2即可得Ce，反应的化学方程式为________________________，铝粉必须过量的原因是_________________
____________________________。
解析：氟碳铈矿在空气中焙烧，Ce(Ⅲ)在空气中被氧化为Ce(Ⅳ)，Fe(Ⅱ)被氧化为Fe(Ⅲ)，用盐酸和H3BO3的混合液浸取，Ce(Ⅳ)被还原，过滤得到滤渣Ⅰ，主要成分是难溶于水的Ce(BF4)3，Fe3＋进入滤液Ⅰ；滤渣Ⅰ用饱和KCl溶液溶解时发生复分解反应，生成KBF4和CeCl3溶液，滤渣Ⅱ是KBF4；向滤液Ⅱ(含Ce3＋的溶液)中再加入碳酸氢铵使Ce3＋沉淀为Ce2(CO3)3，最后焙烧生成CeO2，再经还原得到Ce。
谢
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