第十五章 化学与技术.docx

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第十五章化学与技术

第十五章　化学与技术

考纲要览

1．了解我国无机化工的生产资源和产品的主要种类。

2．了解煤、石油和天然气等综合利用的意义。

了解海水的综合利用。

了解化学科学发展对自然资源利用的作用。

3．了解化学对废旧物资再生与综合利用的作用。

4．了解社会发展和科技进步对材料的要求。

了解化学对材料科学发展的促进作用。

5．了解金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他新材料的特点及有关的生产原理。

了解用化学方法进行金属材料表面处理的原理。

6．了解我国现代材料研究和材料工业的发展情况。

了解新材料的发展方向。

7．了解化学在水处理中的应用。

8．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义。

了解催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义。

9．了解化学肥料、农药等在农业生产中的作用。

了解精细化工产品的生产特点、精细化工在社会发展中的作用。

考向展望

考查重点

考查难点

考向预测

热点预测

题型预测

煤、石油和天然气等的综合利用；海水的综合利用；金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他新型材料的特点及生产原理；合成氨的原理、原料、重要设备、流程和意义及催化剂的使用；化学肥料、农药等在农业生产中的作用

重要的化工工艺，如金属铝的冶炼、氯碱工业、钢铁工业、硫酸工业及合成氨工业等

水处理（硬水软化、海水的淡化、污水的处理等），依托海水元素的提取、氯碱工业、合成氨工业、硫酸工业、纯碱工业等综合考查化学反应原理、新技术、新设备的应用，化学材料的制造与应用等

主要命题载体是化工工艺。

综合考查工艺流程、工艺原理及化工生产中应该注意的一些问题

知识结构

第1讲　化学与工业、资源的开发利用

考点突破方法

考点一　化学与工业

1.

硫酸生产流程和原理

化学反应原理在硫酸生产中的应用：

（1）增大反应速率的措施：

①升高温度，②使用催化剂，③在沸腾炉中燃烧燃料时，把原料粉碎，增大与空气的接触面积。

（2）逆流原理的应用：

沸腾炉中原料从炉顶落下，热空气从炉底吹入，使原料与助燃气体充分接触，反应充分进行；吸收塔中使用大量耐酸瓷环（片），98%浓硫酸从塔顶喷下，三氧化硫气体从塔底吹入，提高吸收程度。

（3）热交换原理的应用：

由于SO2生成SO3是放热反应，在接触室内使用热交换器，使反应后的气体预热作为接触室的原料气，达到节约能源、降低生产成本的目的。

（4）循环操作原理的应用：

由于SO2生成SO3是可逆反应，尾气中含有一定的SO2和O2，再通过一定措施将这部分气体送回接触室，提高原料利用率，同时减少废气排放。

2．合成氨

（1）反应原理：

N2＋3H2

2NH3。

反应特点：

可逆、放热、体积减小。

（2）适宜条件：

①压强：

10～30MPa（受动力、材料、设备限制）；②温度：

400～500℃（催化剂活性最高）；③催化剂：

铁触媒（加快反应速率，不影响平衡）；④循环操作：

将氨液化分离，N2、H2循环使用。

特别提醒：

化工生产适宜条件选择依据：

（1）反应速率越快越好。

（2）化学平衡正向进行程度越大越好，即原料利用率越高越好。

（3）成本越低越好，即低能耗、低投入。

3.索尔维制碱法和联合制碱法

（1）索尔维制碱法

原料：

氯化钠、碳酸钙及NH3。

流程：

CaCO3

CaO＋CO2↑，CO2＋NH3＋H2O===NH4HCO3，NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl,2NaHCO3

Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑，CaO＋H2O===Ca（OH）2。

（2）联合制碱法：

NH3和CO2来源于合成氨厂。

工艺流程：

NH3＋CO2＋H2O===NH4HCO3，NaCl＋NH4HCO3===NaHCO3↓＋NH4Cl,2NaHCO3

Na2CO3＋H2O↑＋CO2↑。

（3）联合制碱法（侯氏制碱法）优点在于提高了实验的利用率，无氯化钙废料，缩短生产流程，节省投资、降低成本。

【例1】（2012·海南卷）合成氨的流程示意图如下：

回答下列问题：

（1）工业合成氨的原料是氮气和氢气。

氮气是从空气中分离出来的，通常使用的两种分离方法是　　　　　　　、　　　　　　　　；氢气的来源是水和碳氢化合物，写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学方程式：

　　　　　　　　　　　，　　　　　　　　　。

（2）设备A中含有电加热器，触媒和热交换器，设备A的名称是　　　，其中发生的化学反应方程式为　　　　　　　　。

（3）设备B的名称为　　　　　，其中m和n是两个通水口，入水口是　　　　（填“m”或“n”）。

不宜从相反方向通水的原因是　　　　　　　　　　　　　　　。

（4）设备C的作用是　　　　　　　　　。

（5）在原料气制备过程中混有的CO对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO，可通过如下反应来实现：

CO（g）＋H2O（g）

CO2（g）＋H2（g）

已知1000K时该反应的平衡常数K＝0.627，若要使CO的转化率超过90%，则起始物中c（H2O）∶c（CO）不低于　　　　　。

【解析】

（1）利用空气中氮气的沸点比氧气的沸点低，先将空气加压降温变成液态，然后再加热，使氮气首先从液态空气中蒸发出来，留下的就是液态氧气。

故分离方法是液化和分馏；另一种方法是将空气与C反应后除去CO2，采用煤和天然气制备H2的方程式为：

C＋H2O（g）

CO＋H2、CH4＋H2O

CO＋3H2。

（2）合成氨的设备为合成塔；发生的反应是N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）。

（3）冷凝分离氨气的设备为冷却塔；为了增强冷却效果，冷却水应从下端进入，逆向冷却效果好。

（4）设备C是分离器，能将液氨和未反应的原料分离。

（5）设CO、H2O的起始浓度分别为x、y，且CO的转化率为90%，则单位（mol·L－1）：

　　CO2（g）＋H2（g）

CO（g）＋H2O（g）

起始浓度　　x　　y　　　　0　　　0

转化浓度　0.9x　0.9x　　0.9x　0.9x

平衡浓度0.1x　y－0.9x　　0.9x0.9x

K＝

＝

＝0.627，得：

≈13.8，只要增加H2O量，就可提高CO的转化率。

【答案】

（1）液化　分馏　与C反应后除去CO2　C＋H2O（g）

CO＋H2　CH4＋H2O

CO＋3H2

（2）合成（氨）塔　N2（g）＋3H2（g）

2NH3（g）

（3）冷却塔（或冷凝器）　n　高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水应从下端进入，逆向冷却效果好

（4）将液氨和未反应的原料气分离

（5）13.8

【变式1】（2013·上海卷）与索尔维制碱法相比，侯德榜制碱法最突出的优点是（　　）

A．原料利用率高

B．设备少

C．循环利用的物质多

D．原料易得

【解析】两种方法都发生反应：

NH3＋H2O＋CO2＋NaCl===NH4Cl＋NaHCO3↓。

索尔维制碱法对滤液的处理是加熟石灰使氨气循环，产生的CaCl2几乎没什么用途，而侯氏制碱法是向滤液通入二氧化碳、氨气，结晶出NH4Cl，其母液可以作为制碱原料，提高食盐利用率。

【答案】A

考点二　化学与资源开发

1．获取洁净水的过程和途径

（1）获取洁净水的一般过程：

混凝沉淀、过滤、杀菌。

常用的混凝剂：

明矾、绿矾、硫酸铝、聚合铝、硫酸铁等。

（2）获取洁净水的途径：

①水的净化：

利用加入混凝剂（如明矾）沉淀杂质的混凝法；②硬水软化：

利用降低水中钙、镁离子含量的加热法、药剂法、离子交换法；③污水处理：

利用中和废水的中和法、将重金属离子转化为沉淀的沉淀法；④海水淡化：

利用蒸馏浓缩的蒸馏法、离子交换膜的选择性透过净化海水的电渗析法。

2．海水的综合利用

（1）氯碱工业

①氯碱工业原理：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极：

2H＋＋2e－===H2↑，总反应式为

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。

②精制食盐水：

粗盐中含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO

，所用试剂只有过量才能除净这些杂质，试设计一个合理的顺序逐一除杂。

过滤―→过量NaOH溶液―→过量BaCl2溶液（前两步可互换）―→纯碱溶液―→过滤。

精制食盐水的目的：

防止隔膜堵塞，提高产品的纯度。

③离子交换膜的作用：

阻止阴极室产生的氢气、氢氧化钠与在阳极室的氯气混合反应。

（2）海水中提取镁

方程式为：

①CaCO3

CaO＋CO2↑，②CaO＋H2O===Ca（OH）2，③MgCl2＋Ca（OH）2===Mg（OH）2↓＋CaCl2，④Mg（OH）2＋2HCl===MgCl2＋2H2O，⑤MgCl2·6H2O

MgCl2＋6H2O，⑥MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑。

3．石油和煤的综合利用

（1）石油加工和应用

石油是烃的混合物，因此没有固定的沸点。

工业上通过常压分馏和减压分馏的方法，把石油分成不同沸点范围的馏分。

而每一种分馏出来的馏分仍是混合物。

为了获取更多的轻质油，特别是提高汽油的产量，采用裂化的方法，在一定条件下，将相对分子质量较大、沸点较高的烃分解为相对分子质量较小、沸点较低的烃。

（2）煤的气化和液化

①煤的气化：

把煤中的有机物转化成可燃性气体的过程。

如C＋H2O

CO＋H2。

②煤的液化：

把煤转化成液体燃料的过程。

煤的液化分直接液化和间接液化，产品有液化石油气、汽油、煤油、柴油等。

特别提醒：

（1）石油裂化的目的是为了提高轻质燃料（汽油、煤油和柴油等）的产量，特别是提高汽油的产量；裂解是采用更高的温度，使其中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等小分子烃。

（2）直馏汽油和裂化汽油不同，可通过溴水或KMnO4酸性溶液进行鉴别，前者是烷烃的混合物，后者含不饱和烃，因而现象不同。

（3）煤的干馏、液化和气化都属于化学变化。

【例2】（2012·山东卷）石油和煤炭加工过程涉及多种技术和设备。

（1）石油分馏时，在不断向　　　　　　（填工业设备名称）内投放原料的同时获得产品，该过程为　　　　　　操作过程。

（2）石油裂化分为热裂化、　　　　　　和加氢裂化，裂化的目的是提高　　　　　　的产量。

（3）煤的洗选是为了降低原煤中灰分和　　　　　　的含量。

煤的流化床燃烧是指空气从底部吹向煤炭颗粒，并使全部煤炭颗粒　　　　　　　进行燃烧的过程。

（4）煤的直接液化是煤与适当溶剂混合后在高温和　　　　　　存在下与　　　　　作用生成液体燃料的过程。

【思路点拨】根据石油和煤的综合利用即可解答。

【解析】

（1）石油分馏时，向分馏塔中不断加入原料的同时就可在分馏塔上下两部分得到产品，因而石油的分馏是一个连续操作规程。

（2）石油裂化是将长链、高沸点的烃断裂为短链、低沸点的烃。

其目的是提高轻质燃料特别是汽油的产量。

（3）煤的洗化是为了降低原煤中灰分和硫的含量，减少燃烧过程中烟尘、SO2的排放；空气从底部吹向煤炭颗粒，可以使煤炭颗粒浮动，增大其与空气的接触面积，使燃烧更充分。

（4）煤的直接液化是指在高温、催化剂条件下煤与氢气作用生成甲醇等液态燃料的过程。

【答案】

（1）分馏塔　连续　

（2）催化裂化　轻质燃料油（或汽油）　（3）硫（S）　浮动　（4）催化剂　氢气（H2）

【变式2】（2013·上海卷）溴主要以Br－形式存在于海水中，海水呈弱碱性。

工业上制备的Br2的操作步骤为：

①一定条件下，将Cl2通入浓缩的海水中，生成Br2。

②利用热空气将Br2吹出，并用浓Na2CO3溶液吸收，生成NaBr、NaBrO3等。

③用硫酸酸化步骤②得到的混合物。

完成下列填空：

（1）Cl2氧化Br－应在________条件下进行，目的是为了避免______________________。

（2）Br2可用热空气吹出，其原因是____________________________________________。

（3）写出步骤③所发生的化学方程式：

_______________________________________。

用硫酸而不用盐酸酸化的原因可能是_______________________________________。

步骤②的产品有时运输到目的地后再酸化，主要是因为_______________________。

【解析】

（1）利用存在Br－的海水呈碱性和Br2可与碱性物质反应可知，为防止氧化得到的溴与碱发生歧化反应，氯气在氧化Br－时应在酸性条件下进行。

（2）溴可与被热空气吹出，是因为溴的沸点低，易挥发。

（3）向NaBr和NaBrO3的混合溶液中加入H2SO4，Br－与BrO

发生氧化还原反应生成Br2，结合原子守恒可写出反应的化学方程式；酸化时不用盐酸是防止在酸性条件下，BrO

将Cl－氧化为Cl2混入溴中；因溴的强氧化性（或强腐蚀性），所以将混合液运送到目的地再酸化。

【答案】

（1）酸性　生成的溴与碱发生歧化反应（或Cl2歧化）

（2）溴的沸点较低，易挥发

（3）5NaBr＋NaBrO3＋3H2SO4===3Na2SO4＋3Br2＋3H2O　防止在酸性条件下，溴酸钠结合H＋生成的溴酸能将Cl－氧化为氯气，影响生成的溴的纯度　溴的强氧化性（或强腐蚀性）

第2讲　化学与材料、技术的发展

考点突破方法

考点一　化学与无机非金属材料

1.传统的无机非金属材料

2.新型的无机非金属材料

特别提醒：

（1）新型无机非金属材料的主要成分不是硅酸盐，只有传统无机非金属材料才是硅酸盐。

（2）传统无机非金属材料主要指硅酸盐材料，具有耐高温、耐腐蚀、硬度大等特点；缺点：

质脆。

（3）玻璃的特性——无固定熔点。

（4）水泥的特性——水硬性，添加石膏的作用是调节水泥硬化速度。

【例1】（2013·全国新课标卷Ⅱ）锌锰电池（俗称干电池）在生活中的用量很大。

两种锌锰电池的构造图如图（a）所示。

回答下列问题：

（1）普通锌锰电池放电时发生的主要反应为：

Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn（NH3）2Cl2＋2MnOOH

①该电池中，负极材料主要是________，电解质的主要成分是________，正极发生的主要反应是____________________________。

②与普通锌锰电池相比，碱性锌锰电池的优点及其理由是__________________________。

（2）图（b）表示回收利用废旧普通锌锰电池的一种工艺（不考虑废旧电池中实际存在的少量其他金属）。

①图（b）中产物的化学式分别为A________________，B________________。

②操作a中得到熔块的主要成分是K2MnO4。

操作b中，绿色的K2MnO4溶液反应后生成紫色溶液和一种黑褐色固体，该反应的离子方程式为________________________________。

③采用惰性电极电解K2MnO4溶液也能得到化合物D，则阴极处得到的主要物质是________（填化学式）。

【解析】

（1）分析电池放电时的总方程式中各元素化合价变化可知，Zn在负极失电子发生氧化反应，NH

和MnO2在正极得电子生成NH3和MnOOH，NH3与负极产生的Zn2＋结合生成[Zn（NH3）2]2＋。

（2）①废旧锌锰电池中含有Zn（NH3）2Cl2，加稀盐酸生成ZnCl2和NH4Cl，浓缩结晶，过滤得到ZnCl2和NH4Cl固体，加热后NH4Cl分解，与ZnCl2分离，故A为ZnCl2，B为NH4Cl。

②操作b中通入CO2，生成紫色溶液，则溶液中含有MnO

，还生成一种黑褐色固体，即MnO2。

③根据图示可知D为KMnO4，即在阳极MnO

失电子生成MnO

，而在阴极H＋得电子生成H2。

【答案】

（1）①Zn　NH4Cl　MnO2＋e－＋NH

===MnOOH＋NH3

②碱性电池不易发生电解质溶液的泄漏，因为消耗的负极改装在电池的内部；碱性电池使用寿命较长，因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性提高（答对一条即可，其他答案也可）

（2）①ZnCl2　NH4Cl　②3MnO

＋2CO2===2MnO

＋MnO2↓＋2CO

　③H2

【变式1】晶体硅是信息科学和能源科学中的一种重要材料，可用于制芯片和太阳能电池等，以下是工业上制取纯硅的一种方法：

请回答下列问题（各元素用相应的元素符号表示）：

（1）在上述生产过程中，属于置换反应的有________（填反应的代号Ⅰ～Ⅳ）。

（2）A、B、C三种气体，在上述生产过程中可循环利用的是__________；在“节能减排”中作为减排目标的一种气体是________。

（3）化合物甲的用途很广，有些已应用于高、精、尖科技领域。

通常可作建筑工业和造纸工业上的黏合剂，可作肥皂的填料，是天然水的软化剂。

将石英砂和纯碱按一定比例混合加热至1373～1623K反应生成化合物甲，其化学方程式为______________________________。

（4）利用反应Ⅲ能制得纯硅的原因是_____________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）已知反应Ⅳ中产物的总能量比反应物的总能量低，则在密闭容器内反应Ⅳ建立平衡，改变下列的一个条件，能使气体B的物质的量增大的是________。

a．缩小容器的容积

b．降低反应体系的温度

c．加入少量NaOH固体（生成物在此温度下不分解）

d．加入少量催化性能更好的催化剂

（6）金属镍（Ni）与气体A能形成常温下为液态的Ni（A）4，利用Ni（A）4的生成与分解可以制得纯度很高的纳米镍，写出Ni（A）4在423K时分解的化学方程式：

_______________________

________________________________________________________________________。

【解析】据反应流程图可知有关的化学方程式为：

SiO2＋2C

Si（粗）＋2CO↑，

Si＋3HCl

SiHCl3＋H2；CO＋H2O

CO2＋H2，SiHCl3＋H2===Si（纯）＋3HCl。

【答案】

（1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

（2）H2、HCl　CO2

（3）SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

（4）反应体系中只有Si是固体，其他物质在1357K时均为气体且在Si中不溶解

（5）b　（6）Ni（CO）4

Ni＋4CO↑

考点二　化学与金属材料——化工流程

1．金属的冶炼方法是依据金属在金属活动顺序中的位置确定的，位置越靠前，冶炼要求的条件越高。

2．金的获取方法是利用富集法，属于物理方法，即“淘金”。

3．解答化工流程题的一般步骤：

先明确产品、原料和问题―→再根据流程图找出中间产物―→写出每步的反应物、生成物和目的―→根据设问和相关的化学理论知识准确规范作答。

【例2】（2013·全国新课标卷Ⅰ）草酸（乙二酸）可作为还原剂和沉淀剂，用于金属除锈、织物漂白和稀土生产。

一种制备草酸（含2个结晶水）的工艺流程如下：

回答下列问题

（1）CO和NaOH在一定条件下合成甲酸钠，甲酸钠加热脱氢的化学方程式分别为________________________________、________________________________。

（2）该制备工艺中有两次过滤操作，过滤操作①的滤液是____________，滤渣是____________；过滤操作②的滤液是____________和____________，滤渣是__________。

（3）工艺过程中③和④的目的是________________________________________。

（4）有人建议甲酸钠脱氢后直接用硫酸酸化制备草酸。

该方案的缺点是产品不纯，其中含有的杂质主要是________________。

（5）结晶水合草酸成品的纯度用高锰酸钾法测定。

称量草酸成品0.250g溶于水，用

0.0500mol·L－1的KMnO4酸性溶液滴定，至浅粉红色不消褪，消耗KMnO4溶液15.00mL,反应的离子方程式为___________________________________________；列式计算该成品的纯度_______________________________________________________________________________。

【思路点拨】解题关键是仔细观察流程图。

根据物质的性质（如根据草酸钙难溶于水、硫酸钙微溶于水，可推导出过滤操作①和过滤操作②所得的滤液和滤渣的成分）完成各题。

【解析】

（1）根据流程图中的信息，结合原子守恒，可写出相应的化学方程式。

（2）向草酸钠溶液中加入Ca（OH）2，生成NaOH和难溶于水的草酸钙，因此过滤操作①的滤液是NaOH溶液，滤渣是草酸钙。

将草酸钙用硫酸酸化，生成草酸和微溶于水的硫酸钙，因此过滤操作②的滤液是草酸溶液和过量的硫酸，滤渣是硫酸钙。

（3）工艺③是循环利用NaOH，工艺④是循环利用硫酸，减少污染，降低成本。

（4）甲酸钠脱氢后的产物是草酸钠，草酸钠与硫酸反应生成草酸和硫酸钠，因此得到的草酸中含有硫酸钠杂质。

（5）在反应中，高锰酸钾作氧化剂被还原为Mn2＋，草酸作还原剂被氧化为CO2，根据电子得失守恒、电荷守恒和原子守恒，可写出离子方程式：

5C2O

＋2MnO

＋16H＋===2Mn2＋＋8H2O＋10CO2↑。

根据反应的离子方程式可得关系式：

5H2C2O4·2H2O===2KMnO4

　5　　　　　　　　2

　n　　　0.0500mol·L－1×15.0mL×10－3L·mL－1

n（H2C2O4）＝

×0.0500mol·L－1×15.0mL×10－3L·mL－1＝0.00075mol，

m（H2C2O4·2H2O）＝126g·mol－1×

×0.00075mol。

【答案】

（1）CO＋NaOH

HCOONa

2HCOONa

Na2C2O4＋H2↑

（2）NaOH溶液　CaC2O4　H2C2O4溶液　H2SO4溶液CaSO4

（3）分别循环利用氢氧化钠和硫酸（降低成本），减小污染

（4）Na2SO4

（5）5C2O

＋2MnO

＋16H＋===2Mn2＋＋8H2O＋10CO2↑

×100%＝94.5%

【变式2】（2013·山东卷）废旧硬质金刀具中含碳化钨（WC）、金属钴（Co）及少量杂质铁，利用电解法可回收WC和Co。

工艺流程简图如下：

（1）电解时废旧刀具作阳极，不锈钢作阴极，HCl溶液为电解液。

阴极主要的电极反应式为____________________________________。

（2）净化步骤所得滤饼的主要成分是__________。

回收的洗涤液代替水配制电解液，目的是回收利用其中的___________。

（3）溶液Ⅰ的主要成分是___________。

洗涤CoC2O4不充分对最终产品纯度并无明显影响，但焙烧时会造成环境污染，原因是____________________________________。

（4）将Co2O3还原成Co粉的化学方程式为________________________________。

【解析】

（1）电解时Fe、Co在阳极被氧化为氯化亚铁和氯化钴，阴极氢离子被还原。

（2）加入双氧水把Fe2＋氧化为Fe3＋，再通入NH3反应生成Fe（OH）3沉淀和NH4Cl；而氯化钴留在洗涤液中，回收洗涤液目的是回收Co。

（3）加入草酸铵后氯化钴转化为CoC2O