完整版化工原理在高考题中的渗透.docx
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完整版化工原理在高考题中的渗透
化工原理在高考题中的渗透
黄明建
高考化学命题“注重测量考生自主学习的能力，重视理论联系实际，关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境的协调发展，以促进考生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面的全面发展。
”在《2014年普通高等学校招生全国统一考试北京卷考试说明》中涉及联系“生产”实际的要求就超过了5处，结果在今年的高考卷中就出现了26、27两道相关的大题。
那么，在高考中，化工原理的相应考点如何呈现？
考生如何应对？
这是我们需要关注的问题。
目前，在高考题中，化工原理的呈现主要有两种形式：
一是以生产流程为基本信息；二是以模拟化工生产的实验装置和过程为基本素材。
考查考生对一些化学反应基本原理、生产流程、操作方法的理解和灵活处理问题的思维能力。
【例1】2014北京卷26
NH3经一系列反应可以得到HNO3和NH4NO3，如下图所示。
（1）Ⅰ中，NH3和O2在催化剂作用下反应，其化学方程式是________________________。
（2）Ⅱ中，2NO（g）+O2（g）
2NO2（g）。
在其他条件相同时，分别测得NO的平衡转化率在不同压强（p1、p2）下随温度变化的曲线（如右图）。
①比较p1、p2的大小关系_____________。
②随温度升高，该反应平衡常数变化的趋势是__________。
（3）Ⅲ中，将NO2（g）转化成N2O4（l），再制备浓硝酸。
①已知：
2NO2（g）
N2O4（g）ΔH1
2NO2（g）
N2O4（l）ΔH2
②N2O4与O2、H2O化合的化学方程式：
______________________________________。
（4）Ⅳ中，电解NO制备NH4NO3，其工作原理如右图所示，为使电解产物全部转化为NH4NO3，需补充物质A，A是________，说明理由：
________________________________________________________________________________。
【解析】
本题以硝酸工业生产的主要流程为载体。
联系其主要反应考查了相关的化学方程式、化学平衡原理、热化学、电解原理与氧化还原理论的应用。
体现了北京高考化学命题的一个重要指导思想——“试题的选材不在枝节问题上或非主干知识上设置陷阱，突出基础必会知识、主干核心知识和内化的学习能力的考查”。
（1）氨的催化氧化及其方程式是考生所熟悉的，属于基础知识。
（2）要求考生能通过图象分析化学平衡条件（温度和压强）对NO平衡转化率的影响。
由于2NO（g）+O2（g）⇌2NO2（g）是一个气体物质计量数减小的可逆反应，故增大压强有利于提高NO转化率。
再从图象看，当温度一定（如400℃），p2对应的NO转化率比p1高，所以，p2＞p1；当压强一定（如p2），NO转化率随温度升高而减小。
所以，平衡常数K＝c2（NO2）/c2（NO）·c（O2）会随温度升高而减小。
本题间接介绍了硝酸工业中NO氧化的条件：
在工业操作条件（800℃～900℃）下，NO不能氧化成NO2（转化率为0）。
只有降温到约150℃以下，才有利于NO的氧化。
也可以帮助我们理解：
为什么“氨的催化氧化”与“NO氧化成NO2”要分别在Ⅰ、Ⅱ两个不同的生产环节完成，而不是在同一环节中进行。
（3）NO2转化为N2O4是一个放热过程（即物质能量降低的过程），这个知识点在高中《化学反应原理》模块的学习以及2014年北京高考说明中的样题（16）均有明确的要求。
高温
（4）要求考生能将电解原理的知识应用到“电解NO制备NH4NO3”的实际问题中，通过阴、阳极转移电子量相等（或氧化剂、还原剂之间转移的电子数相等的原则），推知从电解槽出来的溶液中含有HNO3，进而得知：
需要补充的物质A应该是NH3。
【答案】26.
（1）4NH3+5O2＝4NO+6H2O
（2）①p2>p1②减小
（3）①A②2N2O4+O2+2H2O=4HNO3
（4）NH3根据反应：
8NO+7H2O＝3NH4NO3+2HNO3，电解产生的HNO3。
（或通过电极反应产物中n（NH4+）∶n（NO3－）∶n（H+）＝3∶5∶2，也可以说明。
）
【例2】2010上海卷27
沉淀
过滤
氨化
碳酸化
过滤
煅烧
粗盐水
纯碱
ABNH3CO2E
CD
工业生产纯碱的工艺流程示意图如下：
完成下列填空：
（1）粗盐水加入沉淀剂A、B除杂质（沉淀剂A来源于石灰窑厂），写出A、B的化学式。
A____________________B_________________。
（2）实验室提纯粗盐的实验操作依次为：
取样、_________、沉淀、_________、_________、冷却结晶、__________、烘干。
（3）工业生产纯碱工艺流程中，碳酸化时产生的现象是____________________________。
碳酸化时没有析出碳酸钠晶体，其原因是____________________________________。
（4）碳酸化后过滤，滤液D最主要的成分是___________（填写化学式），检验这一成分的阴离子的具体方法是：
______________________________________。
（5）氨碱法流程中氨是循环使用的，为此，滤液D加入石灰水产生氨。
加石灰水后所发生的反应的离子方程式为：
_____________________________________________。
滤液D加石灰水前先要加热，原因是_______________________________________。
（6）产品纯碱中含有碳酸氢钠。
如果用加热分解的方法测定纯碱中碳酸氢钠的质量分数，纯碱中碳酸氢钠的质量分数可表示为：
_________________（注明你的表达式中所用的有关符号的含义）
【解析】
纯碱生产原理在中学化学教学中属于常规要求，“粗盐提纯”也属于考生“应知应会”的知识与技能。
不过，本题对相关知识的呈现和考查可谓用心良苦，比较注重化学学科特点与逻辑思维能力的联系。
（1）关于“粗盐提纯”，试题没有像通常命题方式给出杂质的代表物（Mg2+、Ca2+等），而是通过“沉淀剂A来源于石灰窑厂”这一信息暗示其所除杂质离子为Mg2+，由此可推出沉淀剂应是Ca（OH）2或CaO。
那么沉淀剂B是什么，沉淀C的成分又是什么？
这需要考生对化学除杂原则的理解——除去一种杂质，尽量不要引入新的杂质。
既然要生产的是Na2CO3，就不能为了除Mg2+而引入或增加Ca2+！
所以，沉淀剂B无疑应该是Na2CO3，而沉淀C的主要组成就应该是Mg（OH）2和CaCO3了。
（2）（3）（4）均属于考生“应知应会”内容。
（5）要求考生具有统观全局的思维意识，关注生产目的与各生产环节的关系以及生产环节与具体操作的关系，并学会从多角度分析问题的能力。
在这里，就是要明确向滤液D中加石灰水的目的是促使氨的循环利用，命题者还试图通过书写相关离子方程式来提醒考生从离子反应的角度理解这一生产环节的目的。
可是，部分考生缺乏这种意识，虽然能写出：
NH4++OH－＝NH3↑+H2O，思维却不肯再往前迈一步，完全被习惯性思维所困。
当试题提出问题：
“滤液D加石灰水前先要加热，原因是。
”
许多考生顿时摸不着头脑，即便考后看过试题答案，仍如堕五里雾中。
这主要是考生没有从离子存在形式去认识滤液D组成的意识，更没有设想“温度的升高对离子存在是否会有什么影响”，对问题的认知始终僵在——滤液D的主要成分就是NH4Cl和NaHCO3，无论加石灰水前是否加热，Ca（OH）2都不可避免地会与NaHCO3反应产生CaCO3，怎么可能如答案所述——通过加热来“防止加石灰水时产生碳酸钙沉淀”呢？
其实，如果考生考虑到NH4Cl和NaHCO3都属于强电解质，在滤液中均完全电离，加热时，NH4+和HCO3－或CO32－由于双促水解而难以共存，它们会转化为NH3和CO2气体逸出。
这样就不难理解：
为什么加热能有效避免“加石灰水时产生碳酸钙沉淀”。
其实，“加石灰水前先要加热”的益处远不止于此，由于加热消耗了HCO3－，还可以减小生产中石灰水（注：
实际生产中用的是石灰乳）的用量，水解产生的NH3和CO2也可以再使用，从而提高了原料的利用价值。
所以“加热”措施可以说是一举多得。
（6）该题可利用一定量纯碱产品在加热前的质量m1与加热后的质量m2之差推测产品中所含的NaHCO3质量分数ωNaHCO3。
难度虽不算大，但由于没有直接提供计算中所需的具体数据，也没有限定物理量，使计算关系式的确定具有一定的开放性（实际答案应该不是唯一的），这对于部分考生的思维能力来讲也是一个挑战。
不过，该题讨论的“生产纯碱的工艺”是早已被“侯氏制碱法”取代的工艺。
【2010上海卷27答案】
（1）Ca（OH）2 或CaONa2CO3
（2）溶解过滤蒸发过滤
（3）有晶体析出（或出现浑浊）碳酸钠溶解度比碳酸氢钠大
（4）NH4Cl取样，加硝酸银，有白色沉淀，该阴离子是氯离子
（5）NH4++OH－＝NH3↑+H2O防止加石灰水时产生碳酸钙沉淀
（6）
【例3】2013福建卷24
二氧化氯（ClO2）是一种高效、广谱、安全的杀菌、消毒剂。
（1）氯化钠电解法是一种可靠的工业生产ClO2方法。
①用于电解的食盐水需先除去其中的Ca2+、Mg2+、SO42－等杂质。
其次除杂操作时，往粗盐水中先加入过量的________（填化学式），至沉淀不再产生后，再加入过量的Na2CO3和NaOH，充分反应后将沉淀一并滤去。
经检测发现滤液中仍含有一定量的SO42-，其原因是___________[已知：
Ksp（BaSO4）=1.1×10－10、Ksp（BaCO3）=5.1×10－9]
②该法工艺原理如下。
其过程是将食盐水在特定条件下电解得到的氯酸钠（NaClO3）与盐酸反应生成ClO2。
工艺中可以利用的单质有____________（填化学式）
发生器中生成ClO2的化学方程式为___________。
（2）纤维素还原法制ClO2是一种新方法，其原理是：
纤维素水解得到的最终产物D与NaClO3反应生成ClO2。
完成反应的化学方程式：
□（D）+24NaClO3+12H2SO4＝□ClO2↑+□CO2↑+18H2O+□_________
（3）ClO2和Cl2均能将电镀废水中的CN－氧化为无毒的物质，自身被还原为Cl－。
处理含CN－相同量得电镀废水，所需Cl2的物质的量是ClO2的_______倍。
【解析】
该题是以生产ClO2的工艺原理为背景素材。
（1）关于“粗盐提纯”的考点设置别有一番新意。
首先，以考生熟悉的除杂程序引入：
用过量的试剂依次除去SO42－、Ca2+、Mg2+，可很快话锋一转，却是“经检测发现滤液中仍含有一定量的SO42－”，给考生出了一个意外之“忧”。
在高中化学教学中，关于难溶电解质的转化通常是讨论为什么Ksp较小的物质能转化为Ksp更小的物质，较少讨论如何由Ksp小的难溶电解质转化为Ksp稍大的电解质。
所以，该题给了我们一个告诫：
不要忽视平衡理论在难溶电解质相关知识方面的应用。
对于溶度积相近的难溶电解质（如BaSO4和BaCO3），可以通过调节溶液中离子的浓度来实现相互转化。
这一点是可以从能力考查方面对考生提出要求的。
同时，也提醒我们在常规教学中，要注意从常规知识中挖掘出可变的因素。
对于上面讨论的问题，就是要引导学生分析浓度商（Qc）和溶度积（Ksp）相对大小对难溶电解质溶解平衡的影响，利用已知的Ksp（BaSO4）和Ksp（BaCO3）以及下面沉淀转化的平衡关系：
BaSO4+CO32－⇌BaCO3+SO42－
可推知：
K＝c（SO42－）/c（CO32－）＝Ksp（BaSO4）/Ksp（BaCO3）＝1.1/51≈1/46
上式表明，在含有BaSO4沉淀的混合液中，只要保证平衡体系中Qc＜1/46[即c（CO32－）超过c（SO42－）的46倍]，就可以使上述沉淀溶解平衡正向移动。
从而帮助学生理解：
为什么加入过量的Na2CO3溶液会使“滤液中仍含有一定量的SO42－”。
此外，该题要求考生能够结合题目的文字信息读懂“工艺原理”示意图。
以考生的经验，知道电解饱和食盐水的产物有氯气、氢气和氢氧化钠，可该题已明确电解食盐水的最终氧化产物不是氯气而是氯酸钠，并且氯酸钠被送进了“二氧化氯发生器”；那么，电解食盐水的什么产物被送进了“氯化氢合成塔”呢？
显然是氢气。
然后，从氯化氢合成塔出来的HCl也送进了“二氧化氯发生器”。
于是有考生写出了下面的化学方程式：
5NaClO3+6HCl=5NaCl+6ClO2↑+3H2O
可是，正确的答案是：
2NaClO3+4HCl=2NaCl+2ClO2↑+Cl2↑+3H2O
问题出在哪儿呢？
主要是考生没有完全读懂“工艺原理”示意图，没有注意到“二氧化氯发生器”出来的产物除了ClO2外，还有一种产物被作为原料送回到“氯化氢合成塔”，这种产物无疑应该是氯气，这就是方程式的产物中应该有氯气的原因。
该题氧化还原反应方程式的配平也有一定的难度，考生不仅要明确反应中氯酸钠是氧化剂、HCl是还原剂，还要明确氧化产物是Cl2，还原产物是ClO2。
然后用化合价升降法配平才便于较快地做出正确答案。
（2）有机物的氧化还原反应方程式配平有其特殊性，本题中纤维素的最终水解产物D是葡萄糖C6H12O6，配平时就把葡萄糖作碳水化合物对待，即把其中碳的化合价（确切地说是氧化数）看作0，这时再利用化合价升降法先配平氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物前的计量数，然后用质量守恒关系确定缺项物质的化学式及计量数，也能感觉顺利许多。
（3）无论是以Cl2还是ClO2氧化CN－，最终结果都是CN－被氧化为CO2和N2，Cl2和ClO2都是被还原为Cl－。
所以要处理同量的电镀废水中的CN－，在理论上所需Cl2或ClO2得到电子的量一定相同！
因此，只要能确定获得相同量电子的Cl2和ClO2的物质的量之比，也就是我们所需要的答案。
解：
设一定量废水中所含CN－全部被氧化失去的电子量为nmol，若用Cl2，需n/2mol；若用ClO2，需n/5mol；
即需Cl2的物质的量是ClO2的2.5倍。
【2013福建卷24参考答案】
【例4】2004年天津高考理综题
I.合成氨工业对化学和国防工业具有重要意义。
写出氨的两种重要用途。
II.实验室制备氨气，下列方法中适宜选用的是。
①固态氯化铵加热分解②固体氢氧化钠中滴加浓氨水③氯化铵溶液与氢氧化钠溶液共热④固态氯化铵与氢氧化钙混合加热
III.为了在实验室利用工业原料制备少量氨气，有人设计了如下装置（图中夹持装置均已略去）。
[实验操作]
①检查实验装置的气密性后，关闭弹簧夹a、b、c、d、e。
在A中加入锌粒，向长颈漏斗注入一定量稀硫酸。
打开弹簧夹c、d、e，则A中有氢气发生。
在F出口处收集氢气并检验其纯度。
②关闭弹簧夹c，取下截去底部的细口瓶C，打开弹簧夹a，将氢气经导管B验纯后点燃，然后立即罩上无底细口瓶C，塞紧瓶塞，如图所示。
氢气继续在瓶内燃烧，几分钟后火焰熄灭。
③用酒精灯加热反应管E，继续通氢气，待无底细口瓶C内水位下降到液面保持不变时，打开弹簧夹b，无底细口瓶C内气体经D进入反应管E，片刻后F中的溶液变红。
回答下列问题：
⑴检验氢气纯度的目的是。
⑵C瓶内水位下降到液面保持不变时，A装置内发生的现象是，防止了实验装置中压强过大。
此时再打开弹簧夹b的原因是，C瓶内气体的成份是。
⑶在步骤③中，先加热铁触媒的原因是。
反应管E中发生反应的化学方程式是。
【解析】
I.氨的用途比较广泛，如制化肥、硝酸、铵盐、纯碱以及在有机合成工业中制合成纤维、塑料、染料、尿素等。
其中制化肥、硝酸是较重要的两种用途。
II.实验室制备氨气可选用②④。
对于②，向固体NaOH中滴加浓氨水，NaOH溶于水会放出大量的热，促使浓氨水分解出氨气。
III.结合所给装置，操作步骤①的目的在于排除B、C装置外的其余装置内的空气。
可通过检验H2纯度的方法来证明空气是否被排净，以保证实验的安全。
使用该题练习时，为检查学生对实验目的和操作理解的程度，可增设一问：
若打开弹簧夹a、b、d、e，关闭弹簧夹c，待A中有氢气发生。
在F出口处收集氢气并检验其纯度。
你认为这样操作是否也是合理的？
说明理由。
（答案是：
不合理，这样做会将C瓶中空气里的N2一块排出，结果后续实验也就没有N2来合成氨了）
步骤②的目的就在于让无底细口瓶C内空气中的O2与H2反应掉，从而提供N2。
对于步骤③，先加热反应管E中铁触媒的原因是铁触媒在较高温度时活性增大，以便加快氨合成的反应速率。
由于氢气的持续产生，C瓶和A试管内气压持续增大，进而使C瓶和A试管内水位均下降，直至A管中锌粒与稀硫酸脱离接触，不再产生氢气。
这时两容器内的液面就不再下降，并保持不变。
此时打开弹簧夹b，锌粒与稀硫酸再次接触，产生氢气。
这样一方面有利于无底细口瓶C内N2、H2的混合，并经D干燥后进入反应管E内发生反应，另一方面可以增大氢气的浓度以提高氮气的转化率。
【答案】
I.制化肥、制硝酸II.②④III.⑴排除空气，保证安全⑵锌粒与酸脱离尽量增大氢气的浓度以提高氮气的转化率N2、H2⑶铁触媒在较高温度时活性增大，加快合成氨的反应速率N2+3H2
2NH3
【例5】（2009北京卷28）
（15分）
以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：
（1）将燃烧黄铁矿的化学方程式补充完整
4+11
（2）接触室中发生反应的化学方程式是。
（3）依据工艺流程图判断下列说法正确的是（选填序号字母）。
a.为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎
b.过量空气能提高
的转化率
c.使用催化剂能提高
的反应速率和转化率
d.沸腾炉排出的矿渣可供炼铁
（4）每160g
气体与
化合放出260.6kJ的热量，该反应的热化学方程是。
（5）吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，得到较高浓度的
和铵盐。
①
既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的
。
吸收
的离子方程式是。
②为测定该铵盐中氮元素的质量分数，将不同质量的铵盐分别加入到50.00mL相同浓度的
溶液中，沸水浴加热至气体全部逸出（此温度下铵盐不分解）。
该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质量。
部分测定结果；
铵盐质量为10.00g和20.00g时，浓硫酸增加的质量相同；铵盐质量为30.00g时，浓硫酸增加的质量为0.68g；铵盐质量为40.00g时，浓硫酸的质量不变。
计算：
该铵盐中氮元素的质量分数是%；若铵盐质量为15.00g。
浓硫酸增加的质量为。
（计算结果保留两位小数）
【解析】
本题以硫酸工业的原型为题材，以硫酸工业生产流程图为纽带，在质量守恒定律、热化学方程式及离子方程式的书写、影响化学反应速率和化学平衡等主干知识方面设置考点，形成了一个较为完整的思维线索，设计的问题梯度较大，起点低，落点高，体现了“源于教材”又“高于教材”的指导思想。
尤其是对数据处理和分析推理能力的考查，突出了化学的学科特色，关注到定性与定量结合的思维过程，体现了量变与质变的哲学思想。
计算的难度不是放在繁琐的数据演算上而是放在“如何用数学这个工具来解决好化学方面的问题”。
催化剂
△
（1）根据质量守恒可推出该物质为FeS2。
（2）SO2和O2在接触室发生的反应：
2SO2+O22SO3。
（3）选项a，粉碎黄铁矿能增大反应物接触面积而加快反应速率。
选项b，过量空气可增大c（O2），所以能提高SO2的转化率。
选项c，使用催化剂虽能提高反应速率，但对转化率无影响。
选项d，矿渣中含有Fe2O3，可用于冶炼铁。
（4）160gSO3（g）与H2O（l）反应生成H2SO4（l）放出260.6kJ热量，则1molSO3（g）与H2O（l）反应生成H2SO4（l）放出130.3kJ热量，则相关热化学方程式为：
SO3（g）+H2O（l）＝H2SO4（l）△H＝－130.3kJ/mol。
（5）由于10g铵盐和20g铵盐分别与同浓度同体积NaOH溶液反应后产生NH3的量相等（通过硫酸溶液增加质量相同体现），而当铵盐质量为40g时产生NH3的量却为零，说明取10g铵盐反应时，NaOH过量；取20g铵盐时，一定是NaOH量不足，且铵盐中一定含有NH4HSO4。
设10克铵盐中有xmol的（NH4）2SO4和ymol的NH4HSO4，NaOH溶液的物质的量浓度为Cmol/L。
则
132x+115y=10…………………………………………………….
（1）
10g时，铵盐不足，故产生NH3的量
：
n（NH3）=2x+y
20g时，（NH4）2SO4为2xmol，NH4HSO4为2ymol。
反应中NaOH量不足，且HSO4—电离产生的H+优先和OH—反应。
H＋+OH—＝H2O
11
2y2y
NH4++OH—＝NH3↑+H2O
11
50C×10—3—2y50C×10—3—2y
由于产生的氨气一样多
n（NH3）=2x+y=50C×10—3—2y…………………………………….
（2）
30g时铵盐过量，则（NH4）2SO4为3xmol，3ymol的NH4HSO4
n（NH3）=0.68/17=0.04mol
H＋+OH—＝H2O
11
3y3y
NH4++OH—＝NH3↑+H2O
11
50C×10—3—3y0.04
所以50C×10—3—3y=0.04……………………………………………….（3）
联立
（1）
（2）（3）解得
x=0.02moly=0.064molC=4.64mol/L
氮的质量百分含量=×100％=（0.04+0.064）×14/10×100％=14.56％
15g铵盐中含NH4+1.5×0.104mol=0.156mol、含H+1.5ymol=0.096mol；
而NaOH只有（3y+0.04）=0.232mol＜（0.156＋0.096）mol。
即NaOH量不足，
反应得NH3量（0.232－0.096）mol×17g/mol=2.312g≈2.31g
另外，该题也可设10g铵盐中含NH4+xmol，H+ymol，然后用类似上述解题思路联立方程组予以解答。
【2009北京卷28答案
】
（1）FeS2
（2）2SO2+O22SO3
（3）abd
（4）SO3（g）+H2O（l）=H2SO4（l）ΔH=－130.3kJ/mol
（5）①SO2+Br2+2H2O=4H++2Br－+SO42－
②14.562.31g
参考书目：
1.陈五平主编，《无机化工工艺学》
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