第3章 核心素养突破3 化工工艺流程题专练-【创新教程】2025年高考化学总复习大一轮教师用书word（人教单选版）

　　　　　　　　　化工工艺流程题专练 [素养突破] 核心素养 变化观念与平衡思想 以化工流程为载体，考查元素化合物知识，从而解决实际问题。 证据推理与模型认知 以化工流程为载体，考查化学反应原理，通过证据推理，培养解决实际问题的能力 科学态度与社会责任 通过化学计算、实际生产流程解决问题，培养严谨求实的科学态度，具有探索，崇尚真理的意识 一、工业流程试题的基本特点 1．试题的切入点(或试题素材)较多的采用了与生产生活密切联系的化学新技术、新成果。故题干内容来源都是真实的工业生产过程，内容丰富，提问灵活。 2．无机化工流程题的结构：分题头、题干和题尾三部分。 (1)题头一般是介绍该工艺生产的原材料和工艺生产的目的(包括获得副产品)； (2)题干部分主要用框图形式将原料到产品的主要生产工艺流程表示出来； (3)题尾主要是根据生产过程中涉及的化学知识设置系列问题。 3．呈现形式：流程图；数据表格；图像；实验装置。 4．设问方式：措施；成分；物质；原因。 5．能力考查：获取、整合、处理、应用信息的能力；分解问题的能力；表达能力。 6．知识落点：基本理论；元素化合物；实验。 二、工艺流程题的类型 1．以物质制备为目的的工艺流程 (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的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) (2)工艺流程题中常见问题的答题方向 常见问题 答题要考虑的角度 分离、 提纯 过滤、蒸发、萃取、分液、蒸馏等常规操作，如从溶液中得到晶体的方法：蒸发浓缩—冷却结晶—过滤—(洗涤、干燥) 提高原 子利 用率 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) 在空气中或特定气体中进行的反应或操作 要考虑O2、H2O、CO2或特定气体是否参与反应或能否达到隔绝空气，防氧化、水解、潮解等目的 洗涤沉淀 方法：往漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流下后，重复以上操作2～3次 判断沉淀是否洗涤干净 取最后洗涤液少量，检验其中是否还有某种离子存在等 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) 控制温度 (常用水 浴、冰浴 或油浴) ①使化学平衡移动；控制化学反应的方向 ②控制固体的溶解与结晶 ③控制反应速率：使催化剂达到最大活性 ④升温：促进溶液中的气体逸出，使某物质达到沸点挥发 ⑤加热煮沸：促进水解，聚沉后利于过滤分离 2.以混合物的分离、提纯为目的的工艺流程题 (1)物质转化过程中分离提纯阶段的主要操作 除杂 加入沉淀剂或控制溶液的酸碱性使形成氢氧化物沉淀。如：除去含Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等来调节溶液的pH 加热 加快反应速率或使平衡向某个方向移动。如果在制备过程中出现一些受热易分解的物质或产物，则要注意对温度的控制。如：侯氏制碱中的NaHCO3；还有如H2O2、Ca(HCO3)2、KMnO4、AgNO3、HNO3(浓)等物质 降温 防止某物质在高温时会分解或使平衡向着题目要求的方向移动 分离 固液分离——过滤 液液分离： a．有溶解度差异——结晶或重结晶(蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、烘干；蒸发结晶、趁热过滤) b．有溶解性差异——(萃取)分液 c．有沸点差异——蒸馏 (2)获得产品阶段的主要操作 洗涤(冰水、热水、有机溶剂) 水洗：洗去晶体表面的杂质离子(适用于溶解度小的物质) 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(适用于高温溶解度大、低温溶解度小的物质) 醇洗(常用于溶解度较大的物质)：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(若对溶解度小的物质进行醇洗，则是为了洗去杂质离子，并使其尽快干燥) 蒸发时的气体氛围抑制水解 如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCl的气流中加热，以防其水解 蒸发浓缩、冷却结晶 如K2Cr2O7和少量NaCl的混合溶液，若将混合溶液加热蒸发后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，母液中是NaCl和少量K2Cr2O7，这样就可分离出大部分K2Cr2O7；同样原理可除去KNO3中的少量NaCl 蒸发结晶、趁热过滤 如NaCl和少量K2Cr2O7的混合溶液，若将混合溶液蒸发一段时间，析出的固体主要是NaCl，母液中是K2Cr2O7和少量NaCl；同样原理可除去NaCl中的少量KNO3 三、工艺流程题的解题策略 1．粗读题干，挖掘图示 图示中一般会呈现超出教材范围的知识，但题目中往往会有提示或者问题中不涉及，所以一定要关注题目的每一个关键字，尽量弄懂流程图，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、大致流程和有什么提示等。 2．携带问题，精读信息 这里信息包括三个方面：一是主干，二是流程图示，三是设置问题。读主干抓住关键字、词；读流程图，重点抓住物质流向(“进入”与“流出”)、实验操作方法等。 3．跳跃思维，规范答题 答题时应注意前后问题往往没有“相关性”，即前一问未答出，不会影响后面答题。要求用理论回答的试题，应采用“四段论法”：改变了什么条件(或是什么条件)→根据什么理论→有什么变化→得出什么结论。 4．积累常考的答题模板 (1)除杂：除去……中的…… (2)干燥：除去……气体中的水蒸气，防止…… (3)增大原料浸出率(离子在溶液中的含量多少)的措施：搅拌、升高温度、延长浸出时间、增大气体的流速(浓度、压强)，增大气、液或固、液接触面积。 (4)加热的目的：加快反应速率或促进平衡向某个方向(一般是有利于生成物生成的方向)移动。 (5)温度不高于××℃的原因：适当加快反应速率，但温度过高会造成挥发(如浓硝酸)、分解(如H2O2、NH4HCO3)、氧化(如Na2SO3)或促进水解(如AlCl3)等，影响产品的生成。 [典例剖析] [高频考点1]　考查以物质制备为目的工艺流程题的解答　 [例1]　(2024·南阳市一中高三开学考)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： 本题中所涉及离子的氢氧化物溶度积常数如下表： 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 回答下列问题： (1)Zn在元素周期表中的位置________，基态S原子电子占据最高能级的电子云轮廓图为______形。 (2)菱锌矿焙烧生成氧化锌反应的化学方程式为______。 (3)为了提高锌的浸取效果，可采取的措施有______、______。 (4)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________、________、________。 (5)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__________________________。 (6)滤液②中加入锌粉的目的是______________________________。 (7)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________、________。 解析：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，结合流程图分析，菱锌矿焙烧，主要发生反应ZnCO3ZnO＋CO2↑，再加入H2SO4浸取，得到含Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋、Cu2＋的溶液，加入物质X调节pH＝5，结合表格数据，过滤得到Fe(OH)3、CaSO4、SiO2的滤渣①，滤液①中主要含有Zn2＋、Cu2＋、Mg2＋、Ca2＋、Fe2＋，再向滤液①中加入KMnO4溶液氧化Fe2＋，过滤得到Fe(OH)3和MnO2的滤渣②，滤液②中加入锌粉，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，过滤后得到滤渣③为Cu，再向滤液③中加入HF脱钙镁，过滤得到滤渣④为CaF2、MgF2，滤液④为ZnSO4溶液，经一系列处理得到ZnSO4·7H2O，据此分析解答。 (1)锌为30号元素，其在周期表中的位置为第四周期ⅡB族；S是16号元素，其价层电子排布式为3s23p4,3p能级为其最高能级，其电子云轮廓图为哑铃形； (2)碳酸锌焙烧生成氧化锌和二氧化碳，其反应的化学方程式为ZnCO3ZnO＋CO2↑； (3)将固体粉碎、搅拌、适当升高温度、增大反应物浓度等； (4)加入X的目的是将Fe3＋沉淀除去，而不引入更多杂质，选择Ca(OH)2更合适。故选B；pH＝5，则c(OH－)＝10－9mol/L，Ksp[Cu(OH)2]＝c(Cu2＋)·c2 (OH－)＝2.2×10－20，c(Cu2＋)＝2.2×10－2 mol/L，结合流程知，Cu2＋还未进行沉淀，则Ksp更大的Mg2＋、Fe2＋未沉淀。所以滤渣①为Fe(OH)3、不溶的SiO2、CaSO4。 (5)KMnO4将Fe2＋氧化为Fe(OH)3而自身被还原为MnO2，反应的离子方程式为3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋； (6)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置换Cu2＋为Cu从而除去； (7)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。 答案：(1)第四周期ⅡB族　哑铃形　(2)ZnCO3ZnO＋CO2↑ (3)粉碎焙烧后的产物　适当增大硫酸的浓度 (4)B　Fe(OH)3　SiO2　CaSO4 (5)3Fe2＋＋MnO＋7H2O===3Fe(OH)3↓＋MnO2↓＋5H＋　(6)置换Cu2＋为Cu从而除去 (7)CaSO4　MgSO4 教材知识 迁移与运用 焙烧原理 CaCO3CaO＋CO2↑ ZnCO3ZnO＋CO2↑ 沉淀转化 Q＞Ksp，溶液中有沉淀析出 pH＝5，溶液中析出Fe(OH)3沉淀 氧化 亚铁盐在较强的氧化剂作用下会被氧化成铁盐 Fe2＋与MnO发生氧化还原反应生成Fe3＋ 转化 活泼金属和盐发生置换反应制备不活泼金属单质 Zn粉与Cu2＋发生置换反应生成Cu [变式训练] 　(2024·淄博市高三一模)工业上以钛铁矿(主要成分为FeTiO3，含有SiO2、Fe3O4、MgO、CaO杂质)为原料制备金属钛，并得到副产品FeSO4·7H2O，其工艺流程如图： 已知：①TiO2＋易水解，只能存在于强酸性溶液中；高温下Ti易与N2、H2反应。 ②25℃时相关物质的Ksp见表： 物质 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Mg(OH)2 TiO(OH)2 Ksp 1.0×10－16.3 1.0×10－38.6 1.0×10－11.6 1.0×10－29 回答下列问题： (1)矿渣的主要成分是________；试剂A为________________(填化学式)。 (2)“酸浸”时，钛铁矿与浓硫酸在160～200 ℃反应，FeTiO3转化为Fe2＋和TiO2＋，该工序主要反应的化学方程式为____________；加水浸取前需先冷却的目的是____________。 (3)“转化”工序，加入试剂B调节pH。 ①试剂B为____________(填标号)。 A．H2SO4　　　　　 B．H2O2 C．Na2CO3 D．NH4Cl ②为沉钛完全[c(TiO2＋)≤1.0×10－5mol·L－1]需要调节溶液的pH略大于________。 (4)“沸腾氯化”中，氯气与矿料逆流而行，目的是________，充分反应后，混合气体中各组分的分压如表： 物质 TiCl4 Cl2 CO CO2 分压MPa 4.59×10－2 4.98×10－9 1.84×10－2 3.70×10－2 该温度下，TiO2与C、Cl2反应的总化学方程式为______________________________。 (5)高温下镁与TiCl4反应制备粗钛时需加保护气，下列可作为保护气的是________(填标号)。 A．N2 B．H2 C．CO2 D．Ar 解析：钛铁矿加入硫酸酸溶，二氧化硅不反应，钙转化为硫酸钙沉淀，故矿渣为二氧化硅、硫酸钙；铁、钛、镁转化为硫酸盐，加入试剂A铁，将三价铁转化为二价铁，得到副产品FeSO4·7H2O，加入试剂B和过量酸反应，通过调节pH使得钛转化为TiO(OH)2沉淀，故B可以为碳酸钠；煅烧固体得到二氧化钛，加入碳、氯气得到四氯化钛，最终转化为钛单质； (1)由分析可知，矿渣的主要成分是二氧化硅、硫酸钙；试剂A为铁； (2)“酸浸”时，钛铁矿与浓硫酸在160～200 ℃反应，FeTiO3和稀硫酸反应转化为Fe2＋和TiO2＋，反应的化学方程式为FeTiO3＋2H2SO4FeSO4＋TiOSO4＋2H2O；TiO2＋易水解，升温会促进水解，故加水浸取前需先冷却的目的是防止TiO2＋提前水解； (3)①由分析可知，试剂B和过量酸反应，通过调节pH且使得钛转化为TiO(OH)2沉淀，故选C；②为沉钛完全[c(TiO2＋)≤1.0×10－5 mol·L－1]，则c(OH－)＞ mol·L－1＝10－12 mol·L－1，pOH＝12，pH＝2，故需要调节溶液的pH略大于2； (4)“沸腾氯化”中，氯气与矿料逆流而行，目的是使得气、固相反应物充分接触，加快反应速率，使反应充分进行；由图表可知，该温度下TiO2与C、Cl2反应生成四氯化钛和一氧化碳、二氧化碳，根据阿伏加德罗定律可知生成四氯化钛、一氧化碳、二氧化碳的物质的量之比大约为5∶2∶4，根据得失电子守恒、原子守恒可知，反应的化学方程式为5TiO2＋6C＋10Cl22CO＋4CO2＋5TiCl4； (5)镁能和氮气、二氧化碳反应，故氮气、二氧化碳不能做保护气；高温下Ti易与N2、H2反应，氢气也不能做保护气；故选D。 答案：(1)SiO2、CaSO4　Fe (2)FeTiO3＋2H2SO4FeSO4＋TiOSO4＋2H2O　防止TiO2＋提前水解 (3)①C　②2　(4)使得气、固相反应物充分接触，加快反应速率，使反应充分进行　5TiO2＋6C＋10Cl22CO＋4CO2＋5TiCl4　(5)D [高频考点2]　考查以混合物的分离、提纯为目的的工艺流程题的解答　 [例2]　(2024·济宁市高三检测)某废钒渣(主要成分为V2O3，含有少量Al2O3、CaO)为原料生产V2O5的工艺流程如图： 已知：钒酸(H3VO4)是强酸，NH4VO3难溶于水；＋5价钒在溶液中的主要存在形式与溶液pH的关系如表。 pH 4～6 6～8 8～10 10～12 主要离子 VO VO V2O VO (1)“酸浸”前需将块状固体粉碎，其目的是__________。 (2)已知Ca(VO3)2难溶于水，可溶于盐酸。若“酸浸”时溶液的pH＝4，则Ca(VO3)2溶于盐酸反应的离子方程式为_______________________________________________。 (3)Ksp(CaCO3)＝m，Ksp[Ca3(VO4)2]＝n；则反应Ca3(VO4)2(s)＋3CO(aq)2VO(aq)＋3CaCO3(s)的平衡常数为__________。(用含m、n的代数式表示) (4)“沉钒2”的沉钒率随温度的变化如图所示，温度高于80 ℃沉钒率下降的原因是__________。 (5)NH4VO3灼烧脱氨可得V2O5。在硫酸酸化条件下，V2O5可与草酸(H2C2O4)溶液反应得到含VO2＋的溶液，反应的离子方程式为__________。 解析：焙烧时，Al2O3、V2O3和CaO和空气中的氧气反应生成Ca(AlO2)2和Ca(VO3)2；加入盐酸酸浸除去Ca(AlO2)2，得到Al(OH)3，滤渣1为Al(OH)3；V元素以VO形式存在溶液中；加入石灰乳得到Ca3(VO4)2，再加入碳酸铵溶液将沉淀转化，V元素以VO形式存在，最后加入氯化铵得到NH4VO3，高温焙烧得到V2O5； (1)“酸浸”前需将块状固体粉碎，可以增大反应物接触面积，加快酸浸速率，使酸浸更加充分； (2)根据表中数据，Ca(VO3)2溶于盐酸反应的离子方程式为Ca(VO3)2＋4H＋===Ca2＋＋2VO＋2H2O； (3)对于反应Ca3(VO4)2(s)＋3CO(aq)2VO(aq)＋3CaCO3(s)，平衡常数为K＝＝·，又CaCO3(s)Ca2＋(aq)＋CO(aq)， Ksp(CaCO3)＝c(CO)·c(Ca2＋)＝m，Ca3(VO4)2(s)3Ca2＋(aq)＋2VO(aq)， Ksp[Ca3(VO4)2]＝c2(VO)·c3(Ca2＋)＝n， 所以K＝＝·＝＝； (4)NH在溶液中存在水解NH＋H2ONH3·H2O＋H＋，且水解吸热，如图沉钒率随温度的变化为80 ℃前温度升高，沉钒率增加，80 ℃以后，NH水解程度增大，NH浓度减小导致沉钒率下降，随温度升高沉钒率降低； (5)V2O5中V为＋5价，具有氧化性，草酸(H2C2O4)具有还原性，在硫酸酸化下，V2O5可与草酸(H2C2O4)溶液反应得到含VO2＋的溶液，其反应的离子方程式为V2O5＋H2C2O4＋4H＋===2VO2＋＋2CO2↑＋3H2O。 答案：(1)增大反应物接触面积，加快酸浸速率，使酸浸更加充分 (2)Ca(VO3)2＋4H＋===Ca2＋＋2VO＋2H2O　(3) (4)温度高于80℃时，NH水解程度增大，NH浓度减小导致沉钒率下降 (5)V2O5＋H2C2O4＋4H＋===2VO2＋＋2CO2↑＋3H2O [变式训练] 　(2024·广东广州模拟预测)铅酸蓄电池的拆解、回收和利用可以减少其对环境的污染，具有重要的可持续发展意义。利用废铅酸蓄电池的铅膏(主要成分为PbSO4、PbO2，还有少量Pb、Fe2O3、Al2O3)制备PbO的流程如图： 回答下列问题： (1)步骤①将废铅膏研磨过筛的目的是___________________________________。 (2)向废铅膏粉中加入NaOH溶液可将PbSO4转化为PbO，并除去Al2O3，写出除去Al2O3的反应的离子方程式_____________________________________________________。 (3)溶液Ⅰ中主要含有的阴离子有OH－、__________。 (4)加入CH3COOH溶液和H2O2溶液可将脱硫铅膏中的含铅物质转化为(CH3COO)2Pb。PbO2转化为(CH3COO)2Pb反应的化学方程式是__________________________。 (5)为使Pb2＋完全沉淀并获得纯净的PbO，需向溶液Ⅱ中分两次加入NaOH溶液。第一次加入的目的是__________，过滤后，第二次加入NaOH溶液调节溶液的pH至少为__________。(已知：25℃，Ksp[Fe(OH)3]＝4×10－38，Ksp[Pb(OH)2]＝1×10－16，离子浓度≤10－5mol/L可视为沉淀完全) 解析：由题给流程可知，将研磨过筛的废铅膏粉加入氢氧化钠溶液碱浸，将氧化铝转化为四羟基合铝酸钠，硫酸铅转化为氧化铅，过滤得到含有氢氧化钠、硫酸钠、四羟基合铝酸钠的溶液Ⅰ和脱硫铅膏；向脱硫铅膏中加入醋酸溶液和过氧化氢溶液，将脱硫铅膏中的含铅物质转化为溶于水的醋酸铅，氧化铁转化为醋酸铁，向转化后的溶液中分两次加入氢氧化钠溶液，先调节溶液pH将溶液中的铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤后再加入氢氧化钠溶液调节溶液pH将铅离子完全转化为氢氧化铅沉淀，过滤得到氢氧化铅；氢氧化铅经洗涤、干燥、灼烧得到氧化铅。 (1)将废铅膏研磨过筛得到废铅膏粉，可使反应物增大接触面积，加快反应速率，使反应更加充分； (2)向废铅膏粉中加入氢氧化钠溶液除去氧化铝的反应为氧化铝与氢氧化钠溶液反应生成四羟基合铝酸钠，反应的离子方程式为Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－； (3)由分析可知，溶液Ⅰ的主要成分为氢氧化钠、硫酸钠、四羟基合铝酸钠，则溶液中的阴离子为氢氧根离子、硫酸根离子和四羟基合铝酸根离子； (4)由题意可知，二氧化铅与醋酸和过氧化氢混合溶液反应生成醋酸铅、氧气和水，反应的化学方程式为PbO2＋2CH3COOH＋H2O2===(CH3COO)2Pb＋O2↑＋2H2O； (5)由分析可知，第一次加入氢氧化钠溶液的目的是调节溶液pH将溶液中的铁离子转化为氢氧化铁沉淀，过滤后第二次加入氢氧化钠溶液的目的是调节溶液pH将铅离子完全转化为氢氧化铅沉淀，由溶度积可知，铅离子完全沉淀时，溶液的c(OH－)＝mol/L＝1×10－5.5 mol/L，则溶液的pH为8.5。 答案：(1)增大反应物接触面积，提高反应速率 (2)Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－ (3)SO、[Al(OH)4]－ (4)PbO2＋2CH3COOH＋H2O2===(CH3COO)2Pb＋O2↑＋2H2O (5)将Fe3＋转为沉淀除去　8.5 学科网（北京）股份有限公司 $$