2025届高三化学第一轮：以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析

衡阳市八中高三化学备课组 单慧芳 2025届高三一轮复习-------- 发展素养（四） 科学探究----- 以金属及其化合物为主体的化学工艺流程分析 P78T2 [2023·新课标全国卷] 铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在,主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物。从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图所示。已知:最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2存在,在碱性介质中以Cr存在。 【真题鉴赏】 题头:介绍原材料。 题干:用框图形式将主要生产工艺流程表示出来。 题尾：设问 原料预处理 物质分离及除杂 产品获得及提纯 【题型特点】 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。 1．工艺流程图示 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。 流程规律 主线主产品、分支副产品、回头为循环 化学工艺流程图是以无机矿物、工农业或生活废旧物质为原料，首先对原料经过一定的预处理，再通过一系列化学反应，利用化学反应原理知识，经过多次分离提纯最后得到目标产物。 2、剖析工艺流程题的命题角度 命题五个角度 1、原料的预处理 2、核心反应 3、反应条件的控制 4、产物分离提纯 5、实际生产(绿色化学思想） 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 煅烧 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－ 灼烧 增大固体与液体或气体间的接触面积，加快反应速率 固体 研磨 想目的 看方法 【解题方法】 1、原料预处理常用方法 液体雾化 将液体分散成微小液滴，增大反应物接触面积，加快反应速率，提高原料利用率（或浸取率） 碱作用 酸作用 浸取 想目的 去油污，除去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅，调节pH促进沉淀、抑制水解 溶解，除去氧化物（膜）,调节pH促进沉淀、抑制水解 向固体中加入适当溶剂或溶液，使其中可溶性的物质溶解，不溶物通过过滤除去的过程。包括水浸取、酸溶、碱溶、醇溶等 1、原料预处理常用方法 看方法 【解题方法】 (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:　　　。  除去油脂、溶解铝及其氧化物 AlO2-+H+ +H2O= Al(OH)3↓ [2020·全国卷Ⅲ]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): MgSO4·7H2O可用于造纸、纺织、陶瓷、油漆工业，也可在医疗上用作泻盐。某工业废渣主要成分是MgCO3，另外还有CaCO3、SiO2等杂质。从此废渣中回收MgSO4·7H2O的工艺流程如下： 提高镁的浸取率 还可以有哪些措施？ 将废渣粉碎或增大硫酸浓度或加热升高温度 或边加硫酸边搅拌或增加浸出时间或多次浸出 （1）“浸出”步骤中，通常保持硫酸过量，其目的是___________________ 某炼铁废渣中含有大量CuS及少量铁的化合物，工业以该废渣为原料生产CuCl2·2H2O的流程如下： 预处理 （1）焙烧的目的： 。 （2）酸浸的目的： 。 使CuS 转化为 CuO；将Fe2+转化为Fe3+ 使CuO、Fe的化合物溶解 2、核心反应——陌生方程式的书写 关注箭头的指向： 箭头指入———反应物 箭头指出———生成物 箭头指回———循环物（实质就是降低成本） 非氧化还原反应：结合物质性质和反应酸碱环境判断产物并配平 氧化还原反应：熟练应用氧化还原规律判断产物并配平 【解题方法】 10 （2）“滤液1”中含有Cu2+和H2SeO3，“氧化酸浸”时Cu2Se反应的离子方程式为 ； (2024湖南卷，16)铜阳极泥(含有Au、Ag2Se、Cu2Se、PbSO4等)是一种含贵金属的可再生资源，回收贵金属的化工流程如下： (2023全国乙卷，27)菱锰矿（MnCO3，含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素）制备LiMn2O4的流程如下： Ksp[Fe(OH)3]=2.8×10-39 Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33 Ksp[Ni(OH)2]=5.5×10-16 （1）硫酸溶矿主要反应化学方程式为________________________。 （5）在电解槽中，发生电解反应的离子方程式为________________。 （6）缎烧窑中，生成LiMn2O4反应的化学方程式是_____________ 方法 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； 降温还可防止某物质在高温时溶解(或分解) 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，控制达到平衡需要的时间 趁热过滤 　防止某物质在降温时析出 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 3、控制反应条件 大于等于要除去离子沉淀完全的pH，小于被提纯离子开始沉淀的pH。 【解题方法】 （1）控制溶液的pH ①增强物质的氧化性或还原性； ②使某些金属离子形成氢氧化物沉淀而除去。 原理： 加入的物质能与H+反应，使溶液的pH增大（促进金属离子水解)，又不引入新的杂质。 加入的物质： 含主要阳离子的难溶性氧化物或氢氧化物或碳酸盐。 例如：若要除去Cu2＋溶液中混有的Fe3＋，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH。 pH控制的范围： 14 [2019新课标Ⅲ] 高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿（还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素）制备，工艺如下图所示。回答下列问题： 相关金属离子[c0(Mn+)=0.1 mol·L−1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下： 金属离子 Mn2+ Fe2+ Fe3+ Al3+ Mg2+ Zn2+ Ni2+ 开始沉淀的pH 8.1 6.3 1.5 3.4 8.9 6.2 6.9 沉淀完全的pH 10.1 8.3 2.8 4.7 10.9 8.2 8.9 (2)“氧化”中添加适量的MnO2的作用_____________。 (3)“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为_____ 。 将Fe2+氧化为Fe3+ 4.7≤pH<6.2 （2）控制温度 ①加热：加速溶解、加快反应速率或促进平衡向某个方向移动（如促进水解生成沉淀） 水浴加热的优点：受热均匀，便于控制温度。 ②降温：防止某物质在某温度时会溶解或分解，或促进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、减少能耗、降低成本等。 答题逻辑：高温优点缺点，低温优点缺点。 答题角度：速、平、催 、 稳、分、挥、 溶、副、绿 【解题方法】 （2015年全国1卷 ）以海绵铜（主要成分是Cu和少量CuO）为原料，采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺过程如下： （1）步骤①中溶解温度应控制在60—70℃，原因是 。 温度低溶解速度慢、温度过高铵盐分解 以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如右图所示。 （1）250～300℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是 。 （2）300℃以后，乙酸的生成速率增大的原因是 。 温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低 温度继续升高，活化分子百分数增大， 有效碰撞次数增多，乙酸生成速率加快 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 4、物质的分离与提纯 硼镁泥是一种工业废料,主要成分是MgO(占40%),还有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质,以此为原料制取的硫酸镁,可用于印染、造纸、医药等工业。从硼镁泥中提取MgSO4·7H2O的流程如图所示。 (4)已知不同温度下MgSO4、CaSO4的溶解度如上表所示。 “除钙”是将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去,根据表中数据,简要说明操作步骤:蒸发浓缩、　　 。 “操作Ⅰ”是将滤液继续蒸发浓缩、 、　 　 ,便可得到MgSO4·7H2O。  温度/℃ 40 50 60 70 MgSO4的溶解度/g 30.9 33.4 35.6 36.9 CaSO4的溶解度/g 0.210 0.207 0.201 0.193 趁热过滤 冷却结晶、过滤洗涤 ①若首先析出的是产品，则防止降温时析出杂质而影响产品纯度（目的是提高产品纯度）； 若首先析出的是杂质，则防止产品在降温时结晶而损耗（目的是减少产品的损耗） 【难点突破】 过滤 趁热过滤——防止过滤一种晶体或杂质的过程中，因温度下降而析出另一种晶体。 “趁热过滤”的原因是 ； 实验室制备甲酸铜晶体［Cu(HCOO)2·4H2O］的流程如下： Cu2(OH)2CO3固体 70℃～80℃ 的热水 Cu(HCOO)2·4H2O 1mol胆矾 2mol小苏打 甲酸 约50℃ 的热水 研磨 冷却、操作a 洗涤 搅拌Ⅱ 趁热过滤 冷却、过滤、无水乙醇洗涤、晾干 搅拌Ⅰ CO2 防止降温甲酸铜结晶而损失 用无水乙醇洗涤晶体的目的 。 洗去甲酸，减少甲酸铜晶体损失，使晶体易于干燥 降低被洗涤物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗，且易于干燥。 【难点突破】 沉淀洗涤 洗涤的目的除掉附着在沉淀表面的可溶性杂质 冰水洗涤 洗去晶体表面的杂质离子并降低被洗涤的物质的溶解度，减少其在洗涤过程中的溶解损耗。 乙醇洗涤 23 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。 洗涤沉淀的方法： 【难点突破】 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 检验沉淀是否洗涤干净： (注：这种情况因为离子浓度较低，应该选用现象明显的反应；此时一般不用焰色反应检验)。 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。 检验沉淀是否完全的方法： 成本意识：浸出率、转化率、利用率、原料价格、能耗的控制、 原料、 能量的循环利用 效率意识：生产速率、催化剂的使用、反应条件的选择 环保意识：绿色化学：无污染、无腐蚀、 “三废” (废气、废渣、废水)的处理。 三个意识 循环利用，节约成本。 原料价格低廉，原子利用率高，绿色化学 ，没有污染，没有有毒有害物质产生。 【解题方法】 5、生产实际 工艺流程的优缺点评价 25 四氯化钛(TiCl4)是制取航天航空工业材料——钛合金的重要原料。由钛铁矿(主要成分是FeTiO3)制备TiCl4等产品的一种工艺流程示意如下： 该工艺流程中存在的不足之处是 。 产生三废 P78T2 [2023·新课标全国卷] 铬和钒具有广泛用途。铬钒渣中铬和钒以低价态含氧酸盐形式存在,主要杂质为铁、铝、硅、磷等的化合物。从铬钒渣中分离提取铬和钒的一种流程如下图所示。已知:最高价铬酸根在酸性介质中以Cr2存在,在碱性介质中以Cr存在。 回答下列问题: (1)煅烧过程中,钒和铬被氧化为相应的最高价含氧酸盐,其中含铬化合物主要为　　　 　(填化学式)。  (2)水浸渣中主要有SiO2和　　　　　　。  [解析] (1)因为煅烧过程中加入了NaOH,为碱性环境,故含铬最高价含氧酸盐主要为Na2CrO4。 (2)杂质中铁的化合物不会与NaOH及Na2CO3反应,煅烧时通入了空气,故煅烧后铁将以Fe2O3的形式存在,则水浸渣中除了SiO2还主要有Fe2O3。 Na2CrO4 Fe2O3 [解析] (3)“沉淀”步骤调pH到弱碱性的目的是让[Al(OH)4]-沉淀,故主要除去的杂质是铝。 铝 (3)“沉淀”步骤调 pH 到弱碱性,主要除去的杂质是　　　　　。  (4)“除硅磷”步骤中,使硅、磷分别以MgSiO3和MgNH4PO4的形式沉淀。该步需要控制溶液的pH≈9以达到最好的除杂效果。若pH<9时,会导 致　 ;  pH>9时,会导致　 。  [解析] (4)若pH<9,随着pH变小,P将会转化为HP或H2P,由于HP和H2P的盐的溶解度比磷酸盐大得多,甚至为易溶物,因此会导致磷不能除净。若pH>9,随着pH变大,Mg2+将转化为Mg(OH)2沉淀,Mg2+浓度降低会使得Si不能沉淀完全,即硅除不净。 磷不能除净(磷酸盐会转化为可溶性的酸式盐) 硅不能除净(生成氢氧化镁,镁离子被消耗) [解析] (5)由题意可知,V2O5既能与酸反应,又能与碱反应,故V2O5体现两性,选C。 C (5)“分离钒”步骤中,将溶液 pH 调到1.8 左右得到V2O5沉淀。V2O5在pH<1时,溶解为V或VO3+;在碱性条件下,溶解为V或V。上述性质说明V2O5具有　　　　(填标号)。  A.酸性　　　B.碱性　　　C.两性 (6)“还原”步骤中加入焦亚硫酸钠(Na2S2O5)溶液,反应的离子方程式为 　 。  [解析] (6)“还原”步骤是在加入稀硫酸将溶液pH调到1.8左右的基础上进行的,铬元素主要以Cr2的形式存在,故反应的离子方程式为2Cr2+3S2+10H+ = 4Cr3++6S+5H2O。 2Cr2+3S2+10H+ = 4Cr3++6S+5H2O $$