无机化工生产流程专题.docx

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无机化工生产流程专题

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【高考展望】

一、考纲要求

　　结合海水、金属矿物等自然资源综合利用的实例，了解运用物质性质和反应规律能实现物质间的转化。

认识化学在环境监测与保护中的重要作用。

二、高考动向

　化工流程题关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境，它以化工流程为背景素材，将工业生产中的真实情况以信息的形式给出，运用中学化学中涉及到的元素化合物知识、化学反应原理、化学实验技能、化学计算来解决化工生产实际问题的综合类题型。

与无机框图推断题不同，流程类试题摒弃虚拟的框图，其优点是：

素材来源广泛，工业流程、最新科技成果信手拈来；流程中超纲的可以不设问，提问灵活，不受素材限制，有些小问的答案设计为开放或半开放也很方便；流程图只提供一个素材背景，即使其中某些物质推不出也不影响后面要回答的问题，减少了“连带丢分”，降低了猜题押题的风险。

流程类试题最早出现在上海高考试题中，随后在江苏和广东乃至全国更多省市高考试题中相继出现并逐步替代了无机框图推断题。

这些试题的出现是新课程改革催生的必然结果，试题一方面能够凸现出新课程所强调的基础性、选择性和时代性（STSE），能关注学生的个性发展，另一方面能够突出对学生素质的考查，体现高中化学新课程的基本理念。

这些试题都有着共同的特性，即“以能力测试为主导，考查考生对基础知识、基本技能和方法的掌握程度以及运用所学知识分析、解决化学具体问题的能力，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”，具有很高的区分度和很好的选拔功能。

【方法点拨与知识点】

一、化工流程图的一般模式

工业流程题目在流程上一般分为三个过程：

原料处理→分离提纯→获得产品

要点诠释：

1、规律：

主线主产品，分支副产品，回头为循环。

2、核心考点：

物质的分类操作、除杂试剂的选择、生成条件的控制等。

3、原料预处理（初步分离）

（1）起到富集反应物的作用：

在无机题中，原材料是一种混合物，可能是矿石、某工厂废料或发生变质的材料等，整个实验过程或反应流程就是分离提纯，想办法提取有效元素。

（2）工业流程常见的操作与名词：

①研矿：

增大接触面积，使反应充分，提高反应速率

②溶解：

通常用酸溶，如用硫酸、盐酸、浓硫酸等（有时可用碱溶，如铝矿溶解）。

水浸：

与水接触反应或溶解。

浸出：

固体加水（酸）溶解得到离子浸出。

浸出率：

固体溶解后离子在溶液中的含量的多少（更多转化）。

酸浸：

在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液，不溶物通过过滤除去的溶解过程。

③焙烧、灼烧或煅烧（结构改变更易溶解浸出；使一些杂质高温下氧化、分解）

吹出（利用空气吹出溶液中的气体）

④调pH值除杂：

控制溶液的酸碱性使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀。

4、中间产品、终极产品的分离提纯

（1）物理方法：

溶解过滤、水洗、结晶、蒸馏、萃取分液、升华、液化、盐析、渗析法、电渗析、离子交换、吸附法、浮选法

（2）化学方法：

热分解法，酸、碱处理法，沉淀法，氧化还原法、电解法

二、分析流程题需要的一般思路

流程类试题的结构分题头、题干和题尾三部分。

题头一般是简单介绍实验目的和原理或工艺生产的原材料和工艺生产的目的（包括附产品）；题干部分主要用框图形式将操作或物质转换或原料到产品的主要生产工艺流程表示出来；题尾主要是根据流程中涉及到的化学知识设制成系列问题，构成一道完整的化学试题。

解答流程题的一般思路是：

浏览全题，确定该流程的目的，看懂生产流程图；了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息，并在下一步分析和解题中随时进行联系和调用；解析流程图并思考从原料到产品依次进行了什么反应，利用了什么原理。

每一步操作进行到什么程度最佳，每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物，杂质或副产物是怎样除去的等等。

要抓住一个关键点：

一切反应或操作都是为获得产品而服务。

解答流程题要注意的问题是：

注意化学方程式的书写，反应物、产物的分子式书写要正确；化学方程式要配平，电极反应式和化学方程式一定要书写正确；等号或可逆符号不能少；沉淀、气体、固态、水溶液等符号要标明。

注意评价或比较实验方案要全面，反应物种类多少、是否易得、是否对环境有污染；反应产物的种类多少，对目标产物的分离和提纯是否有影响；反应条件是否苛刻；仪器、设备是否要求高；工艺流程、实验步骤的多少。

注意描述语言的规范性和准确性，从化学原理的角度、用化学语言作答；要抓住主要问题，针对具体问题作具体分析；要看清题目要求，按要求答题。

三、重要化工原理

1如何分离混合溶液中的

，这是一个热点问题。

看下面的表格：

氢氧化物开始沉淀时的pH

氢氧化物沉淀完全时的pH

Fe3＋

Fe2＋

Cu2＋

1.9

7.0

4.7

3.2

9.0

6.7

如果溶液是这三种离子的混合溶液，应该先把亚铁离子氧化为铁离子，然后再调节pH值3.2-4.7之间，

就形成沉淀，被分离除去，

就留在了溶液中。

调节pH值时，可用CuO来调节，这样不会引入新的杂质。

（1）试剂X的选择及目的：

目的：

将Fe2+氧化为Fe3+；

选择：

遵循不引杂的原则，可选用的有Cl2、H2O2、O2。

（能正确书写方程式）

（2）试剂Y的选择及目的、pH范围：

目的：

调节溶液的pH，只生成Fe（OH）3沉淀

选择：

不引入杂质，并且调高pH，可选用的有CuO〔CuCO3或Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3〕

pH范围：

使Fe3+完全沉淀而Cu2+不沉淀，pH范围应为3.2～4.7

（3）①由CuCl2溶液制备氯化铜晶体（CuCl2·2H2O）的操作？

答：

蒸发浓缩、冷却结晶、过滤

②为何不能直接加热蒸干？

答：

因为Cu2+＋2Cu（OH）2＋2H+，加热后，水分蒸发，溶液浓度变大，氯化氢挥发，氢离子浓度减小，促使平衡正向移动，Cu2+逐渐转化为Cu（OH）2而得不到CuCl2。

③若直接加热蒸干得到的产物？

答：

CuO

（4）由氯化铜晶体（CuCl2·2H2O）制备无水CuCl2的操作？

答：

在氯化氢气流中加热

2海水的综合利用

（1）海水提溴中涉及到的方程式：

①Cl2+2Br-=Br2+2Cl–

②Br2+SO2+2H2O=2HBr+H2SO4

③Cl2+2Br-=Br2+2Cl–

（2）海水提镁中涉及到的方程式：

①贝壳煅烧成石灰：

CaCO3高温CaO+CO2↑

②将石灰制成石灰乳：

CaO+H2O═Ca（OH）2

③将石灰乳加入到海水沉淀池中：

Ca（OH）2+MgCl2═CaCl2+Mg（OH）2↓

④加入盐酸溶解Mg（OH）2+2HCl=MgCl2+2H2O

⑤失水：

MgCl2·6H2O

MgCl2+6H2O

⑥电解总方程式：

MgCl2（熔融）电解Mg+Cl2↑

阴极电极反应式：

Mg2++2e—═Mg

阳极电极反应式：

2Cl--2e—═Cl2↑

（3）海水提溴过程中的常见问题：

①将已经得到的Br2又还原为Br-的目的是：

富集溴元素

②用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可达95％，但由反应可知，也存在一些弊端，除环境保护外，在工业生产中应解决的主要问题是 强酸对设备的严重腐蚀 。

③用平衡移动原理解释通空气的目的是通入空气将Br2蒸气带出，使Br2（g）

Br2（aq）或

Br2+H2O

HBr+HBrO平衡向左移动

④要用“浓缩”海水，目的：

富集溴元素和镁元素

（4）海水提镁过程中的常见问题：

①各步操作的名称：

操作1：

过滤。

操作2：

蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。

（为何不能直接加热蒸干？

直接加热蒸干的产物？

）

操作3：

在氯化氢气流中加热。

（如何解释原因？

）

操作4：

电解。

②沉淀剂选择熟石灰，可降低成本。

（来自贝壳）

③在上述过程中，可加热Mg（OH）2得到MgO，再电解熔融MgO制金属镁，这样可简化实验步骤，体现实验的简约性原则。

该想法是否正确？

答：

氧化镁的熔点很高（2852℃），对设备的要求高，成本高。

所以采用的是电解熔融氯化镁。

3从铝土矿中提取铝

（1）碱溶法中，各步主要方程式的书写：

①加过量烧碱：

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

2NaAlO2+2Na2SiO3+4H2O=Na2O·Al2O3·2SiO2↓+4NaOH

②通入过量CO2：

NaAlO2+CO2+2H2O=Al（OH）3↓＋NaHCO3

③灼烧：

2Al（OH）3

Al2O3+3H2O

④电解：

2Al2O3（熔融）

4Al+3O2↑

阴极：

4Al3+＋12e-＝4Al

阳极：

6O2－＋12e-＝3O2↑

（2）酸溶法中，各步主要方程式的书写：

①加过量盐酸：

Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

②加入过量烧碱：

FeCl3+3NaOH=Fe（OH）3↓+3NaCl

AlCl3+4NaOH=NaAlO2+2H2O+3NaCl

③通入过量CO2：

NaAlO2+CO2+2H2O=Al（OH）3↓＋NaHCO3

④灼烧：

见碱溶法

⑤电解：

见碱溶法

（3）由偏铝酸钠溶液制氢氧化铝试剂的选择：

由于氢氧化铝能溶于强酸，所以选用二氧化碳，而不用盐酸。

（4）电解氧化铝时，加冰晶石，降低熔点；

阳极（石墨电极）需定期更换（阳极：

2O2－＋4e-＝O2↑，生成的氧气会消耗石墨）。

（5）碱溶法与酸溶法的比较：

碱溶法流程简单、能耗低、产品质量好、成本低，但只适用于铝硅比较高的铝土矿。

（碱溶法中，加入过量烧碱后，会生成铝硅酸钠沉淀，消耗部分铝，降低了铝的产量）

（铝硅比是衡量铝土矿质量的最主要标准之一，铝硅比愈高的矿石质量愈好。

）

4侯氏制碱法

（1）主要方程式的书写：

NH3+H2O+CO2+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl

（或NH3+H2O+CO2=NH4HCO3NaCl（饱和）+NH4HCO3=NaHCO3↓+NH4Cl）

2NaHCO3

Na2CO3+H2O+CO2↑

2NH4Cl+CaO=CaCl2+2NH3↑+H2O

（2）NH3、CO2通入的先后顺序：

先NH3后CO2：

CO2在NaCl中的溶解度很小，先通入NH3使食盐水显碱性，能够吸收大量CO2气体，产生高浓度的HCO3-,才能析出NaHCO3晶体。

（3）氨碱法与侯氏制碱法的比较

a、氨碱法

优点：

原料（食盐和石灰石）便宜；产品纯碱的纯度高；副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用；制造步骤简单，适合于大规模生产。

缺点：

副产物氯化钙没有多大用途；食盐的利用率只有72％～74％，其余的食盐都随着CaCl2溶液作为废液被抛弃了，这是一个很大的损失。

b、侯氏制碱法——联合制碱——氨碱法+工业合成氨

1、合成氨所需要的H2，是利用

，氨厂的废气CO，转变为碱厂的主要原料CO2来制取纯碱，这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑；

2、从含有氯化铵和氯化钠的滤液中结晶沉淀出氯化铵晶体。

由于氯化铵在常温下的溶解度比氯化钠要大，低温时的溶解度则比氯化钠小，而且氯化铵在氯化钠的浓溶液里的溶解度要比在水里的溶解度小得多。

所以在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。

优点：

食盐的利用率提高到96％以上；NH4Cl可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。

缺点：

较氨碱法而言，它的用氨量较大，在有些情况下不适用。

5氯碱工业

（1）总方程式以及阴阳极电极反应式

总方程式：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

阴极：

2H++2e－=H2↑

阳极：

2Cl－-2e－=Cl2↑

（2）阳极室投入物质：

精制饱和食盐水

阴极室投入物质：

水（含少量NaOH，以增强导电性）

阳极室产物：

氯气、烧碱

阴极室产物：

氢气、淡盐水

（3）阳离子交换膜的作用：

①防止氯气与氢气混合而引起爆炸；

②避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量。

（4）阴极区pH不断增大的原因：

H+放电，促进水的电离，OH-浓度增大

（5）电解时用盐酸控制阳极区溶液的pH在2~3的原因？

（6）食盐水需精制，否则在阴极室会生成沉淀，堵塞隔膜。

（7）饱和食盐水的精制（除杂）。

例1．铬铁矿的主要成分可表示为FeO·Cr2O3，还含有SiO2、Al2O3等杂质，以铬铁矿为原料制备重铬酸钾（K2Cr2O7）的过程如下图所示：

已知：

①NaFeO2遇水强烈水解。

②Cr2O72－+H2O

2CrO42－+2H+

请回答：

（1）K2Cr2O7中Cr元素的化合价是。

（2）生成滤渣1中红褐色物质的反应的化学方程式是。

滤液1的成分除Na2CrO4外，还含有（填化学式）。

（3）利用滤渣2，可制得两种氧化物，其中一种氧化物经电解冶炼可获得金属，该电解反应的化学方程式是。

（4）由滤液2转化为Na2Cr2O7溶液应采取的措施是。

（5）向Na2Cr2O7溶液中加入KCl固体，获得K2Cr2O7晶体的操作依次是：

加热浓缩、、过滤、洗涤、干燥。

（6）煅烧铬铁矿生成Na2CrO4和NaFeO2反应的化学方程式是。

【答案】

（1）+6

（2）NaFeO2+2H2O＝NaOH+Fe（OH）3↓

NaAlO2、Na2SiO3和NaOH

（3）2Al2O3（熔融）

4Al+3O2↑

（4）加硫酸酸化

（5）冷却结晶冰晶石煅烧

（6）4FeO·Cr2O3+7O2+20NaOH

8Na2CrO4+4NaFeO2+10H2O

例2．碳酸锰（MnCO3）是理想的高性能强磁性材料，也是制备Mn2O3、MnO2等锰的氧化物的重要原料，广泛用于电子、化工、医药等行业。

一种制备MnCO3的生产流程如下图所示。

已知生成氢氧化物的pH和有关硫化物的Ksp如下表：

物质

Fe（OH）3

Fe（OH）2

Mn（OH）2

开始沉淀pH

2.7

7.6

8.3

完全沉淀pH

3.7

9.6

9.8

物质

MnS

CuS

PbS

Ksp

2.5×10－13

6.3×10－36

8.0×10－28

软锰矿主要成分为MnO2，其中含有铁、铝、硅的氧化物和少量重金属化合物杂质，SO2来自工业废气。

流程①中主要发生的反应有：

MnO2＋SO2===MnSO4

2Fe3+＋SO2＋2H2O====2Fe2+＋SO42—＋4H+。

（1）流程①中所得MnSO4溶液的pH比软锰矿浆的pH（填“大”或“小”），该流程可与（填写工业生产名称）联合，生产效益更高。

（2）反应②的目的是将溶液中的Fe2+氧化成Fe3+，其离子反应方程式为____________，这样设计的目的和原理是_______________________________________________________。

（3）反应③中硫化钠的作用是使重金属离子转化为硫化物沉淀，碳酸钙的作用是。

（4）反应④发生的化学反应为：

MnSO4+2NH4HCO3=MnCO3↓+（NH4）2SO4+CO2↑+H2O。

反应中通常需加入稍过量的NH4HCO3，且控制溶液的pH为6.8～7.4。

加入稍过量的NH4HCO3的目的是，溶液的pH不能过低的原因是。

（5）软锰矿中锰的浸出有两种工艺：

工艺A：

软锰矿浆与含SO2的工业废气反应

工艺B：

软锰矿与煤炭粉混合，焙烧后加稀硫酸溶解。

其中工艺A的优点是。

（答对1个即可）

【答案】

（1）小，工业制备硫酸。

（2）MnO2+2Fe2++4H+=Mn2++2Fe3++2H2O。

使Fe2+转变为Fe3+，Fe3+完全沉淀的pH较低（或Fe3+更易沉淀）。

（3）与溶液中的酸反应，使溶液中的Fe3+、Al3+转化为氢氧化物沉淀。

（4）使MnCO3沉淀完全。

MnCO3沉淀量少，NH4HCO3与酸反应。

（或MnCO3、NH4HCO3与酸反应溶解）

（5）节约能源、治理含SO2的工业废气等（答对1个即可）。

例3、以氯化钾和钛白厂的副产品硫酸亚铁为原料生产硫酸钾、过二硫酸钠和氧化铁红颜料，原料的综合利用率较高。

其主要流程如下：

（1）反应I前需在FeSO4溶液中加入__________（填字母），以除去溶液中的Fe3＋。

A．锌粉　　B．铁屑　　C．KI溶液　　D．H2

（2）反应Ⅰ需控制反应温度低于35℃，其目的是__________。

（3）工业生产上常在反应Ⅲ的过程中加入一定量的醇类溶剂，其目的是__________。

（4）反应Ⅳ常被用于电解生产（NH4）2S2O8（二硫酸铵）。

电解时均用惰性电极，阳极发生的电极反应可表示为__________。

　【答案】

（1）B

（2）防止NH4HCO3分解（或减少Fe2＋的水解）

（3）降低K2SO4的溶解度，有利于K2SO4析出。

（4）2SO42--2e-

S2O82-

　【解析】

（1）在FeSO4溶液中除去溶液中的Fe3＋，最好选用铁屑或铁粉，比较简单。

（2）如果温度过高会导致NH4HCO3分解同样也会加快Fe2＋的水解（温度越高水解速率越快）这样会使原料利用率降低。

（3）由题目看出在III反应中生成的K2SO4为固体，而K2SO4在无机溶剂中溶解度是比较大的，要想使K2SO4析出，只能降低其溶解度，所以加入醇类溶剂，目的是降低K2SO4的溶解度。

（4）根据阴阳极反应原理阳极失电子发生氧化反应，此题实质是电解硫酸铵溶液，在根据反应后的产物得出正确的答案。

　　【总结升华】此题为化工生产题型，主要考查了化合物性质，电极方程式书写。

做此类题要分析清楚每一个环节目的和结果是什么，这样才能判断各反应后的产物。

随堂练习：

1.碱式硫酸铁Fe（OH）SO4对水中的悬浮物、有机物、硫化物、重金属等都能絮凝，工业上常用硫酸亚铁法制备，工艺流程如下图所示：

已知：

Fe3+沉淀完全时的pH＝3.1，Fe2+沉淀完全时的pH＝9.7。

（1）请写出溶解过程中加快溶解速率和提高浸出率的两点措施：

_______________________________，______________________________。

（2）加入硫酸的作用是控制体系的pH值，若硫酸加入量过小，反应体系酸度太低，容易生成沉淀；若硫酸加入量过大，不利于产品形成，试从平衡移动的角度分析原因是。

（3）氧化过程中生成的气体遇空气变红棕色。

写出氧化过程发生的离子方程式：

__________________________。

（4）流程图中的“系列操作”包括，，过滤，洗涤，烘干。

2.下图是传统的工业生产金属铝的基本流程图，结合铝生产的流程图解答下列各题：

（1）工业冶炼金属铝用的是铝土矿，铝土矿的主要成分是__________（填化学式）。

石油炼制和煤的干馏产品__________（填物质名称）作电解铝的阴极和阳极材料。

（2）氧化铝熔点高达2050℃，工业上为了降低能量消耗，在金属铝的冶炼中采取的措施是___________。

（3）在冶炼过程中，阳极材料需要定期地进行更换，原因是该极材料不断被消耗，产生这种现象的原因是：

______________________________________（用化学方程式表示）。

（4）工业上制取金属镁时是电解熔融MgCl2，电解反应方程式为________________，镁和铝都是活泼金属，为什么在电解冶炼过程中，一个用氯化物，一个用氧化物__________________。

3.海水是巨大的资源宝库，在海水淡化及综合利用方面，天津市位居全国前列。

从海水中提取食盐和溴的过程如下：

（1）请列举海水淡化的两种方法：

________、________。

（2）将NaCl溶液进行电解，在电解槽中可直接得到的产品有H2、________、________或H2、________。

（3）步骤Ⅰ中已获得Br2，步骤Ⅱ中又将Br2还原为Br－，其目的为________________。

（4）步骤Ⅱ用SO2水溶液吸收Br2，吸收率可达95%，有关反应的离子方程式为_________，

由此反应可知，除环境保护外，在工业生产中应解决的主要问题是_______________。

（5）某化学研究性学习小组为了解从工业溴中提纯溴的方法，查阅了有关资料：

Br2的沸点为59℃，微溶于水，有毒性和强腐蚀性。

他们参观生产过程后，绘制了如下装置简图：

请你参与分析讨论：

①图中仪器B的名称：

____________________________________________。

②整套实验装置中仪器连接均不能用橡胶塞和橡胶管，其原因是__________________。

③实验装置气密性良好，要达到提纯溴的目的，操作中如何控制关键条件：

___________。

④C中液体产物颜色为________，为除去该产物中仍残留的少量Cl2，可向其中加入NaBr溶液，充分反应后，再进行的分离操作是____________________________。

4.以食盐为原料进行生产并综合利用的某些过程如下图所示。

（1）除去粗盐中的Ca2＋、Mg2＋和SO

离子，加入下列沉淀剂的顺序是________（填序号）。

a．Na2CO3b．NaOHc．BaCl2

（2）将滤液的pH调至酸性除去的离子是________。

（3）电解氯化钠稀溶液可制备“84消毒液”，通电时氯气被溶液完全吸收，若所得消毒液仅含一种溶质，写出相应的化学方程式是_____________________。

（4）工业上，可以用纯碱代替烧碱生产某些化工产品。

如用饱和纯碱溶液与Cl2反应制取有效成分为NaClO的消毒液，其反应的离子方程式是________________________（已知酸性：

碳酸>次氯酸>碳酸氢根离子）。

（5）若向分离出NaHCO3晶体后的母液中加入过量生石灰，则可获得一种可以循环使用的物质，其化学式是________。

5.某电镀铜厂有两种废水需要处理，一种废水中含有CN—离子，另一种废水中含有Cr2O72—离子。

该厂拟定如图所示的废水处理流程。

回答以下问题：

（1）上述处理废水的流程中主要使用的方法是________________________。

（2）②中使用的NaClO溶液呈碱性，用离子方程式解释原因___________________。

（3）②中反应后无气体放出，该反应的离子方程式为________________________。

（4）③中反应时，每0.4molCr2O72-转移2.4mole—，该反应的离子方程式为____________________________。

（5）取少量待检水样于试管中，先加入NaOH溶液，观察到有蓝色沉淀生成，继续加入NaOH溶液，直到不再产生蓝色沉淀为止，再加入Na2S溶液，有黑色沉淀生成，且蓝色沉淀逐渐减少。

请你使用化学用语，结合必要的文字解释其原因______________________________________