2025届高三化学二轮复习 微专题•大素养26 化学工艺流程——物质的制备与提纯 讲义

微专题·大素养 化学工艺流程——物质的制备与提纯 【题型研析】 无机化工流程题具有很强的综合性，是每年高考的固定题型，这类试题的特点是情境新，问题设置每年都有独到之处。题目一般将化工生产流程或流程中的某一片段用框图的形式表示出来，主要涉及化学实验的基本操作、物质的性质、制备与转化、混合物的分离与提纯、陌生情景中化学方程式的书写及简单计算等内容。此类试题阅读量大、陌生度高，要求考生将所学知识与框图中物质转化的相关信息充分融合，从而挖掘图表中的有用信息，提高自身解决问题的能力。 【命题模型】 1．工艺流程图示 根据工艺流程的生产阶段特征，近五年高考题中所涉及的工艺流程题一般分为三个阶段，即原料预处理阶段、物质转化及除杂阶段、产品的获得及纯化阶段。 2．流程转化中的“四大思想” (1)元素守恒思想。原料中的“核心元素”经多步转化，最终“存留”于目标产物中，该思想是工艺流程图的主线。 (2)物料转化思想。工艺流程图中呈现的各个“方框”一般表示工业生产中的反应釜，方框中的物质表示反应釜中的“主要物质”，方框之间的“箭头”表示“转化关系”，箭头的上方或下方一般注明转化时加入的试剂或需控制的条件等。 (3)教材联系生产的思想。工艺流程题中的大部分化学反应来源于教材，部分陌生的化学反应，其反应原理也源于教材；工艺流程图中的工业操作(反应装置)与教材中的实验操作(实验装置)相对应。 (4)绿色环保思想。对环境无害的物质可以直接排放，部分物质需要循环利用，实现资源利用最大化。 【分类突破】 题型一　物质制备型工艺流程题 1．制备过程中原料预处理的5种常用方法 看方法 想目的 研磨 增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率 水浸 与水接触反应或溶解 酸浸 与酸接触反应或溶解，使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去 灼烧 除去可燃性杂质或使原料初步转化，如从海带中提取碘时的灼烧就是为了使海带中难溶于水的碘元素转化为易溶的I－ 煅烧 改变结构，使一些物质能溶解，并使一些杂质在高温下氧化、分解，如煅烧高岭土 2.制备过程中控制反应条件的6种方法 看方法 想目的 调节溶液 的pH 常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀 控制温度 根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动 控制压强 改变速率，影响平衡 使用合适 的催化剂 改变反应速率，控制达到平衡所需要的时间 趁热过滤 防止某物质降温时析出 冰水洗涤 洗去固体表面的杂质离子，并减少固体在洗涤过程中的溶解损耗 特别提醒 调节pH所需的物质一般应满足两点 (1)能与H＋反应，使溶液的pH变大。 (2)不引入新杂质。例如若要除去Cu2＋中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH，不可加入NaOH溶液、氨水等。 3.化工流程题中表述性词汇“八大答题方向” 化工生产流程和综合实验题中经常会出现一些表述性词语，这些表述性词语就是隐性信息，它可以暗示我们所应考虑的答题角度。常见的有 (1)“控制较低温度”——常考虑物质的挥发、物质的不稳定性和物质的转化等。 (2)“加过量试剂”——常考虑反应完全或增大转化率、提高产率等。 (3)“能否加其他物质”——常考虑会不会引入杂质或是否影响产品的纯度。 (4)“在空气中或在其他气体中”——主要考虑O2、H2O、CO2或其他气体是否参与反应或达到防氧化、防水解、防潮解等目的。 (5)“判断沉淀是否洗净”——常取少量最后一次洗涤液于试管中，向其中滴加某试剂，以检验其中的某种离子。 (6)“检验某物质的设计方案”——通常取少量某液体于试管中，加入另一试剂产生某现象，然后得出结论。 (7)“控制pH”——常考虑防水解、促进生成沉淀或除去杂质等。 (8)“用某些有机试剂清洗”——①降低物质的溶解度，有利于产品析出；②洗涤沉淀：减少损耗和提高利用率等。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4．教材中重要物质制备的工艺流程 【资源】海洋 【资源】矿产 【素养专练】 1．某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物，还有少量其他不溶性物质。采用如下工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体(NiSO4·7H2O)： 溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示： 金属离子 Ni2＋ Al3＋ Fe3＋ Fe2＋ 开始沉淀时(c＝0.01 mol·L－1)的pH 7.2 3.7 2.2 7.5 沉淀完全时(c＝1.0×10－5 mol·L－1)的pH 8.7 4.7 3.2 9.0 回答下列问题： (1)“碱浸”中NaOH的两个作用分别是_____________________。为回收金属，用稀硫酸将“滤液①”调为中性，生成沉淀。写出该反应的离子方程式 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)“滤液②”中含有的金属离子是__________________________________________。 (3)“转化”中可替代H2O2的物质是________。若工艺流程改为先“调pH”后“转化”， “滤液③”中可能含有的杂质离子为________。 (4)利用上述表格数据，计算Ni(OH)2的Ksp＝__________________(列出计算式)。如果“转化”后的溶液中Ni2＋浓度为1.0 mol·L－1，则“调pH”应控制的pH范围是________。 (5)硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化，可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH。写出该反应的离子方程式______________________________________________。 (6)将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，其意义是_______________________。 2．硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工业。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下： 回答下列问题： (1)在95 ℃“溶浸”硼镁矿粉，产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)“滤渣1”的主要成分有 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3＋，可选用的化学试剂是________。 (3)根据H3BO3的解离反应：，Ka＝5.81×10－10，可判断H3BO3是________酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是 ________________________________________________________________________。 (4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为 ________________________________________________________________________， 母液经加热后可返回________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是 ________________________________________________________________________。 微点拨　拆分流程图——“三看、二挖、一联” 题型二　物质分离、提纯型工艺流程题 1．把握物质提纯的6种常用方法 看目的 选方法 除去可溶性杂质 水溶法 除去碱性杂质 酸溶法 除去酸性杂质 碱溶法 除去还原性或氧化性杂质 氧化还原法 除去受热易分解或易挥发的杂质 加热灼烧法 除去酸性Cu2＋溶液中的Fe3＋等 调pH法 2.正确选择物质分离的6种常用方法 看目的 选方法 分离难溶物质和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或者抽滤等方法 过滤(热滤 或抽滤) 利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提纯分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴 萃取和分液 提纯溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl 蒸发结晶 提纯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 冷却结晶 分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇与甘油 蒸馏或分馏 利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨与氮气、氢气 冷却法 3.物质成分确定的3类方法 (1)滤渣、滤液成分的确定 要考虑样品中原料和杂质的成分在每一步骤中与每一种试剂反应的情况： ①反应过程中哪些物质(离子)消失了？ ②所加试剂是否过量或离子间发生化学反应又产生了哪些新离子？这些离子间是否会发生反应？ (2)循环物质的确定 (3)副产品的判断 【素养专练】 1．活性氧化锌是一种新型多功能无机材料，以粗氧化锌(含铁、铜的氧化物)为原料提纯获得纯净活性氧化锌的生产过程如下： 已知各相关氢氧化物沉淀的pH范围如下表所示： Zn(OH)2 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Cu(OH)2 开始沉淀pH 5.4 7.0 2.3 4.7 完全沉淀pH 8.0 9.0 4.1 6.7 请回答下列问题： (1)步骤Ⅱ中加入H2O2溶液的作用是________________________(用离子方程式表示)。 (2)用ZnO调节pH，以除去含铁杂质，调节pH的适宜范围是________________。 (3)步骤Ⅲ中加入Zn粉的作用：①__________；②进一步调节溶液的pH。 (4)碱式碳酸锌[Zn2(OH)2CO3]煅烧的化学方程式为_____________________________ ________________________________________________________________________。 2．纳米铜是一种性能优异的超导材料，以辉铜矿(主要成分为Cu2S)为原料制备纳米铜粉的工艺流程如图1所示： (1)用黄铜矿(主要成分为CuFeS2)、废铜渣和稀硫酸共同作用可获得较纯净的Cu2S，其原理如图2所示，该反应的离子方程式为___________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)从辉铜矿中浸取铜元素时，可用FeCl3溶液作浸取剂。 ①反应：Cu2S＋4FeCl3===2CuCl2＋4FeCl2＋S，每生成1 mol CuCl2，反应中转移电子的物质的量为________；浸取时，在有氧环境下可维持Fe3＋较高浓度，有关反应的离子方程式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②浸取过程中加入洗涤剂溶解硫时，铜元素浸取率的变化如图3所示，未洗硫时铜元素浸取率较低，其原因是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)“萃取”时，两种金属离子萃取率与pH的关系如图4所示，当pH>1.7时，pH越大，金属离子萃取率越低，其中Fe3＋萃取率降低的原因是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)用“反萃取”得到的CuSO4溶液制备纳米铜粉时，该反应中还原产物与氧化产物的质量之比为________。 (5)在萃取后的“水相”中加入适量氨水，静置，再经过滤、________、干燥、________等操作可得到Fe2O3。 微点拨　工艺流程中常考的文字叙述答题模板 (1)滴定终点的判断：当滴入最后一滴标准液时，溶液颜色由××色变为××色，且半分钟内不恢复原色(注：只写“变色”或“褪色”不得分)。 (2)洗涤沉淀的方法：往漏斗中加入蒸馏水(或特定试剂)至没过沉淀，待水(或特定试剂)自然流下后，重复以上操作2～3次。 (3)检验沉淀是否洗涤干净：取最后一次的洗涤液，滴加××试剂(可与某种杂质离子发生沉淀反应)，如果没有沉淀生成，说明沉淀洗涤干净；否则说明沉淀未洗涤干净(注：这种情况因为离子浓度较低，应该选用反应灵敏的特征反应；此时一般不用焰色试验检验)。 (4)检验沉淀是否完全的方法：静置，向上层清液中继续滴加××试剂，若没有沉淀生成，说明沉淀完全；若出现沉淀，则说明沉淀未完全。 (5)萃取操作：在分液漏斗中加溶液和萃取剂，右手按住漏斗上口的玻璃塞，左手握活塞，倒转用力振荡，放气，正立，放在铁圈上静置。 微专题·大素养 分类突破 题型一 素养专练 1．解析： (1)油脂可在NaOH溶液中发生水解反应生成可溶性的高级脂肪酸钠和甘油，并且NaOH溶液能溶解Al和Al2O3，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑、Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O，故“碱浸”中NaOH的两个作用分别是除去油脂和溶解铝及其氧化物。“滤液①”中含有Na[Al(OH)4](也可写成NaAlO2)，向其中加入稀H2SO4调为中性会生成Al(OH)3沉淀，反应的离子方程式为＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O或＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓。 (2)“滤液①”中含有Ni、Fe、NiO、FeO、Fe2O3以及少量其他不溶物，加入稀H2SO4后主要发生反应Ni＋2H＋===Ni2＋＋H2↑、Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑、NiO＋2H＋===Ni2＋＋H2O、FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O、Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O，故“滤液②”中含有的金属离子是Ni2＋、Fe2＋、Fe3＋。 (3)H2O2的作用是在酸性条件下将Fe2＋氧化为Fe3＋(2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O)，且在“转化”中不引入新杂质，故可替代H2O2的物质是O2或空气，发生反应4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O，也不引入新杂质。加NaOH溶液“调pH”的目的是生成Fe(OH)3沉淀除去Fe3＋，为除尽Fe3＋而又不生成Ni(OH)2沉淀，需控制pH范围：3.2≤pH<7.2；此时溶液中还存在Fe2＋，H2O2可将Fe2＋氧化为Fe3＋，故“滤液③”中可能含有的杂质离子为Fe3＋。 (4)开始形成Ni(OH)2沉淀或沉淀完全时，都存在沉淀溶解平衡：Ni(OH)2(s)⇌Ni2＋(aq)＋2OH－(aq)，Ksp＝c(Ni2＋)·c2(OH－)，开始沉淀时，c(Ni2＋)＝0.01 mol·L－1，c(OH－)＝1.0×107.2－14 mol·L－1，故Ksp＝0.01×(107.2－14)2；沉淀完全时，c(Ni2＋)＝1.0×10－5 mol·L－1，c(OH－)＝1.0×108.7－14 mol·L－1，Ksp＝10－5×(108.7－14)2。由上述分析得Ksp＝1.0×10－15.6，若“转化”后的溶液中c(Ni2＋)＝1.0 mol·L－1，生成Ni(OH)2沉淀的最小c(OH－)＝＝ mol·L－1＝1.0×10－7.8 mol·L－1，c(H＋)＝ mol·L－1＝1.0×10－6.2 mol·L－1，pH＝6.2，故既要除尽Fe3＋，又不形成Ni(OH)2沉淀，应控制的pH范围是3.2～6.2。 (5)Ni2＋被氧化为NiOOH，ClO－被还原为Cl－，故在强碱溶液中该反应的离子方程式为2Ni2＋＋ClO－＋4OH－===2NiOOH↓＋Cl－＋H2O。 (6)分离出NiSO4晶体后的母液中含有Ni2＋(饱和NiSO4溶液)，故将母液收集、循环使用，其意义是提高镍回收率。 答案：(1)除去油脂、溶解铝及其氧化物　＋H＋===Al(OH)3↓＋H2O (2)Ni2＋、Fe2＋、Fe3＋ (3)O2或空气　Fe3＋ (4)0.01×(107.2－14)2[或10－5×(108.7－14)2]　3.2～6.2 (5)2Ni2＋＋ClO－＋4OH－===2NiOOH↓＋Cl－＋H2O (6)提高镍回收率 2．解析： (1)硼镁矿粉中加入(NH4)2SO4溶液反应生成氨气，氨气与碳酸氢铵溶液反应的化学方程式为NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3。 (2)硼镁矿中的SiO2、Fe2O3、Al2O3与(NH4)2SO4溶液不反应，也不溶解，过滤后形成滤渣1。因为KSCN溶液遇Fe3＋变为红色，所以KSCN溶液常用于Fe3＋的检验。 (3)根据题目信息中H3BO3的解离方程式和Ka的数值可知，H3BO3为一元弱酸。在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是将溶液中的硼元素转化为H3BO3沉淀析出。 (4)根据工艺流程中的原料进入情况及生成物情况可知，“沉镁”时加入的原料为(NH4)2CO3溶液、MgSO4溶液，产物为，因此反应的离子方程式为或·MgCO3↓＋ CO2↑。母液的主要成分为硫酸铵，可以返回到“溶浸”工序循环使用。碱式碳酸镁热稳定性差，可以在高温焙烧的条件下制取氧化镁，化学方程式为Mg(OH)2·MgCO32MgO＋CO2↑＋H2O。 答案： (1)NH4HCO3＋NH3===(NH4)2CO3 (2)SiO2、Fe2O3、Al2O3　KSCN溶液 (3)一元弱　将溶液中的硼元素转化为H3BO3，促进析出 [或＋H2O===Mg(OH)2·MgCO3↓＋CO2↑]　溶浸　高温焙烧 题型二 素养专练 1．[流程图解]流程图中各步主要转换如下： 解析： (1)根据上图转换关系可知，加入H2O2溶液的作用是将溶液中的Fe2＋氧化成Fe3＋，其离子方程式为2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O。 (2)加入ZnO调节pH的目的是使Fe3＋完全沉淀，而使Cu2＋不沉淀，需控制溶液pH的范围为4.1≤pH<4.7。 (3)Zn粉能与溶液中的Cu2＋发生置换反应，除去Cu2＋；Zn粉还能与过量的稀硫酸反应，进一步调节溶液的pH。 (4)煅烧碱式碳酸锌生成ZnO、CO2和H2O，其化学方程式为Zn2(OH)2CO32ZnO＋CO2↑＋H2O。 答案： (1)2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O (2)4.1≤pH<4.7　 (3)除去溶液中的Cu2＋ (4)Zn2(OH)2CO32ZnO＋CO2↑＋H2O 2．解析：(4)在碱性条件下，Cu2＋与N2H4反应生成氮气和铜，离子方程式为2Cu2＋＋N2H4＋4OH－===2Cu＋N2↑＋4H2O，反应中还原产物为Cu，氧化产物为N2，质量之比为(2×64)∶28＝32∶7。 答案：(1)CuFeS2＋Cu＋2H＋===Cu2S＋Fe2＋＋H2S↑ (2)①2 mol　4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O ②生成的硫覆盖在Cu2S表面，阻碍浸取 (3)Fe3＋水解程度随pH的升高而增大　(4)32∶7 (5)洗涤　煅烧(或灼烧) 学科网（北京）股份有限公司 $$