专题03 化学工艺流程与物质提纯解析版.docx

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专题03化学工艺流程与物质提纯解析版

03．化学工艺流程与物质提纯

【题型分析】

物质提纯类化工流程题以物质的分离、提纯为基础，涉及蒸发浓缩、趁热过滤、冷却结晶、蒸馏、萃取、分液、重结晶、洗涤、干燥等基本操作，突出考查化学实验基本方法在物质分离、提纯中的作用。

物质提纯类化工流程题一般包括以下具体内容：

【知识解读】

1．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，如分离乙醇和甘油

蒸馏与分馏

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气与氮气、氢气

冷却法

2．获得产品阶段的主要操作

洗涤（冰水、热水、有机溶剂）

水洗：

洗去晶体表面的杂质离子（适用于溶解度小的物质）

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（适用于高温溶解度大、低温溶解度小的物质）

醇洗（常用于溶解度较大的物质）：

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（若对溶解度小的物质进行醇洗，则是为了洗去杂质离子，并使其尽快干燥）

蒸发时的气体氛围抑制水解

如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCl的气流中加热，以防其水解

蒸发浓缩、冷却结晶

如K2Cr2O7和少量NaCl的混合溶液，若将混合溶液加热蒸发后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，母液中是NaCl和少量K2Cr2O7，这样就可分离出大部分K2Cr2O7；同样原理可除去KNO3中的少量NaCl

蒸发结晶、趁热过滤

如NaCl和少量K2Cr2O7的混合溶液，若将混合溶液蒸发一段时间，析出的固体主要是NaCl，母液中是K2Cr2O7和少量NaCl；同样原理可除去NaCl中的少量KNO3

【题型示例】

例1：

（2019年新课标Ⅲ卷）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+）=0.1mol·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

（1）“滤渣1”含有S和__________________________；写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式____________________________________________________。

（2）“氧化”中添加适量的MnO2的作用是将________________________。

（3）“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为_______~6之间。

（4）“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“滤渣3”的主要成分是______________。

（5）“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。

若溶液酸度过高，Mg2+沉淀不完全，原因是_____________________________________________________________________。

（6）写出“沉锰”的离子方程式___________________________________________________。

（7）层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4。

当x=y=

时，z=___________。

【答案】

（1）SiO2（不溶性硅酸盐）MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O

（2）将Fe2+氧化为Fe3+（3）4.7（4）NiS和ZnS

（5）F−与H+结合形成弱电解质HF，MgF2

Mg2++2F−平衡向右移动

（6）Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O（7）.

【解析】

（1）Si元素以SiO2或不溶性硅盐存在，SiO2与硫酸不反应，所以滤渣I中除了S还有SiO2；在硫酸的溶浸过程中，二氧化锰和硫化锰发生了氧化还原反应，二氧化锰作氧化剂，硫化锰作还原剂，方程式为：

MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+S+2H2O；

（2）二氧化锰作为氧化剂，使得MnS反应完全，且将溶液中Fe2+氧化为Fe3+；（3）由表中数据知pH在4.7时，Fe3+和Al3+沉淀完全，所以应该控制pH在4.7~6之间；（4）根据题干信息，加入Na2S除杂为了出去锌离子和镍离子，所以滤渣3是生成的沉淀ZnS和NiS；（5）由HF

H++F-知，酸度过大，F-浓度减低，使得MgF2

Mg2++2F-平衡向沉淀溶解方向移动，Mg2+沉淀不完全；（6）根据题干信息沉锰的过程是生成了MnCO3沉淀，所以反应离子方程式为：

Mn2++2HCO3-=MnCO3↓+CO2↑+H2O；（7）根据化合物中各元素化合价代数和为0的规律得：

1+2x+3y+4z=6，已知，x=y=1/3，带入计算得：

z=1/3。

例2：

（2019年新课标Ⅰ卷）硫酸铁铵[NH4Fe（SO4）2·xH2O]是一种重要铁盐。

为充分利用资源，变废为宝，在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵，具体流程如下：

回答下列问题：

（1）步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污，方法是_________________。

（2）步骤②需要加热的目的是_________________，温度保持80~95℃，采用的合适加热方式是_________________。

铁屑中含有少量硫化物，反应产生的气体需要净化处理，合适的装置为__________（填标号）。

（3）步骤③中选用足量的H2O2，理由是_________________。

分批加入H2O2，同时为了_________________，溶液要保持pH小于0.5。

（4）步骤⑤的具体实验操作有______________，经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。

（5）采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数，将样品加热到150℃时，失掉1.5个结晶水，失重5.6%。

硫酸铁铵晶体的化学式为______________。

【答案】

（1）碱煮水洗

（2）加快反应速率水浴加热C

（3）将Fe2+全部氧化为Fe3+，不引入新的杂质因为H2O2本身易分解，所以在加入时需分量加入，同时为了防止Fe3+水解

（4）加热浓缩、冷却结晶、过滤（洗涤）（5）NH4Fe（SO4）2∙12H2O

【解析】

（1）步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污，油污在碱性条件下容易水解，所以工业上常常用热的碳酸钠溶液清洗，即碱煮水洗；

（2）步骤②需要加热的目的是为了加快反应速率；温度保持80~95℃，由于保持温度比较恒定且低于水的沸点，故采用的合适加热方式是水浴加热（热水浴）；铁屑中含有少量硫化物，硫化物与硫酸反应生成硫化氢气体，可以用氢氧化钠溶液吸收，为了防止倒吸可以加装倒置的漏斗，故选择C装置；（3）步骤③中选用足量的H2O2，H2O2可以将Fe2+氧化为Fe3+，且H2O2的还原产物为H2O，不会引入新的杂质，故理由是：

将Fe2+全部氧化为Fe3+，不引入新的杂质。

因为H2O2本身易分解，所以在加入时需分量加入，同时为了防止Fe3+水解，溶液要保持pH小于0.5；（4）为了出去可溶性的硫酸铵、铁离子等，需要经过的步骤为：

加热浓缩、冷却结晶、过滤（洗涤）；（5）设硫酸铁铵的化学式为NH4Fe（SO4）2∙xH2O，其相对分子质量为266+18x，1.5个水分子的相对分子质量为1.5×18=27，则27/（266+18x）=5.6%，解得x=12，则硫酸铁铵的化学式为NH4Fe（SO4）2∙12H2O。

【技巧点拨】在解化工流程题无机物质的制备，常与物质分离与提纯联系在一起，制备的目标物质要容易分离出来，物质分离与提纯有多种方法，总的说有物理方法和化学方法两大类：

物理方法有过滤、蒸发、蒸馏、分液、萃取、结晶、重结晶、渗析等；化学方法有沉淀法、热分解法、电解法、氧化还原法等；要根据目标物质的性质和特点来选择适宜的制备、分离方法。

在审题时，应粗看流程图，没必要看得非常明白（因耗时太多），然后接着往下看问题作答，容易的迅速写下，做到“笔过留分”，难的再结合流程、信息回答。

这样做耗时短，能得到大部分分数。

【对点训练】

1．（2020届云南省曲靖市第一中学高三化学仿真模拟考试）某学校化学兴趣小组为探索金属回收物的综合利用，专门设计实验用含有铝、铁、铜的合金制取纯净的氯化铝溶液、绿矾晶体（FeSO4·7H2O）和胆矾晶体（CuSO4·5H2O），其实验方案如下：

请回答下列问题：

（1）过滤用的玻璃仪器有___________________________________________________。

（2）在滤液C转化为沉淀Ⅱ的过程中盐酸的用量不易控制，可改为通CO2气体，写出滤液C中通入过量CO2的离子方程式：

______________________________________________。

写出由沉淀Ⅱ转化为AlCl3溶液的离子方程式：

_____________________________。

（3）小组成员经过检测，发现制得的绿矾不纯，试分析其主要含有哪些杂质：

______________________，要想由沉淀Ⅰ最终制得纯度较高的绿矾，应如何改进_____________________________

（4）小组成员从资料中获知H2O2是一种绿色氧化剂，在滤渣B中加入稀硫酸和H2O2来制备胆矾晶体，则该反应的总化学方程式为_______________________________。

（5）有同学提出可将方案中最初溶解合金的盐酸改为烧碱，重新设计方案，也能最终制得三种物质，你认为第二种方案相对于第一种方案________（填“更合理”或“不合理”），理由是________________________。

【答案】

（1）烧杯、漏斗、玻璃棒

（2AlO2-＋CO2＋2H2O=Al（OH）3↓＋HCO3-Al（OH）3＋3H＋=Al3＋＋3H2O

（3氯化钠、硫酸钠、硫酸铁向溶液D中加入足量铁粉，反应后过滤，再将滤液蒸发浓缩、冷却结晶、过滤即可得纯度较高的绿矾

（4Cu＋H2O2＋H2SO4＋3H2O=CuSO4·5H2O（或Cu＋H2O2＋H2SO4=CuSO4＋2H2O）

（5更合理前一种方案操作步骤多、时间长、消耗试剂量大

【解析】合金铝、铁、铜加入足量盐酸溶解后过滤，得到滤液A为氯化铝、氯化亚铁，加入足量氢氧化钠溶液过滤得到滤液C为偏铝酸钠溶液，加入适量盐酸过滤得到氢氧化铝沉淀加入盐酸溶解生成氯化铝溶液；沉淀Ⅰ为氢氧化亚铁，加入硫酸生成硫酸亚铁溶液D蒸发结晶得到绿矾晶体；

（1）过滤实验用到的仪器有：

滤纸、铁架台、铁圈、烧杯、玻璃棒和漏斗；

（2）滤液C中含有偏铝酸钠，通入过量CO2生成氢氧化铝沉淀和碳酸氢钠，反应的离子方程式为AlO2-+CO2+2H2O=Al（OH）3↓+HCO3-，沉淀Ⅱ为氢氧化铝，与盐酸反应转化为AlCl3溶液，反应的离子方程式为Al（OH）3+3H+═Al3++3H2O；（3）发现制得的绿矾不纯，含有氯化钠、硫酸钠、硫酸铁，是因为亚铁离子被氧化为铁离子，要想由沉淀I最终制得纯度较高的绿矾，需要向D溶液中加入过量铁粉还原铁离子为亚铁离子，过滤得到溶液蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到绿矾晶体；（4）铜与浓硫酸反应生成有毒有污染的二氧化硫气体，若铜先和氧气反应生成氧化铜，然后氧化铜会和硫酸反应生成硫酸铜，不会产生污染大气的气体，该过程原料利用率高，所以途径②最佳，Cu中加入稀硫酸和H2O2可以制备胆矾晶体，反应方程式为：

Cu+H2O2+H2SO4+3H2O═CuSO4•5H2O（或Cu+H2O2+H2SO4═CuSO4+2H2O；（5）在实验原方案中，需要的是适量的酸，且步骤繁琐，这很难控制，改用烧碱，首先分离出来铝，然后加入硫酸，分离出铁，最后得铜的化合物，故比较合理。

2．（2019年西安八校联考）硼镁泥是一种工业废料，主要成分是MgO（占40%），还有CaO、MnO2、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的流程如下：

根据题意回答下列问题：

（1）实验中需用1mol·L－1的硫酸800mL，若用18.4mol·L－1的浓硫酸来配制，量取浓硫酸时，需使用的量筒的规格为________。

A．10mL　　　B．20mLC．50mLD．100mL

（2）加入的NaClO可与Mn2＋反应：

Mn2＋＋ClO－＋H2O===MnO2↓＋2H＋＋Cl－，还有一种离子也会被NaClO氧化，该反应的离子方程式为___________________。

（3）滤渣中除含有Fe（OH）3、Al（OH）3外，还有______________________。

（4）在“除钙”前，需检验滤液中Fe3＋是否被除尽，简述检验方法：

__________________。

（5）已知MgSO4、CaSO4的溶解度（g/100gH2O）如下表：

温度/℃

物质　　

40

50

60

70

MgSO4

30.9

33.4

35.6

36.9

CaSO4

0.210

0.207

0.201

0.193

“除钙”是将MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去，根据上表数据，简要说明操作步骤：

____________________________________________。

“操作Ⅰ”是将滤液继续蒸发浓缩，冷却结晶，________，便得到了MgSO4·7H2O。

（6）实验中提供的硼镁泥共100g，得到的MgSO4·7H2O为172.2g，则MgSO4·7H2O的产率为________。

【答案】

（1）D

（2）2Fe2＋＋ClO－＋2H＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O（3）MnO2、SiO2

（4）取少量滤液，向其中加入硫氰化钾溶液，如果溶液不变血红色，则说明滤液中不含Fe3＋，如果溶液变血红色，则说明滤液中含Fe3＋

（5）蒸发浓缩，趁热过滤　过滤（或过滤、洗涤）（6）70%

【解析】

（1）实验中需用1mol·L－1的硫酸800mL，则配制时需用1000mL的容量瓶配成1000mL溶液。

设需要18.4mol·L－1的浓硫酸的体积为VmL，则18.4mol·L－1×V×10－3L＝1mol·L－1×1L，解得V＝54.3。

故需使用的量筒的规格为100mL。

（2）硫酸酸解得到的溶液中含有Al3＋、Fe3＋、Fe2＋、Ca2＋等金属离子，加入NaClO，Fe2＋也会被氧化，离子方程式为2Fe2＋＋ClO－＋2H＋===2Fe3＋＋Cl－＋H2O。

（3）滤渣中还含有不溶于硫酸的SiO2及氧化生成的MnO2。

（4）加入KSCN溶液，检验Fe3＋是否被除尽。

（5）MgSO4的溶解度受温度影响大，而CaSO4的溶解度受温度影响小，故选择蒸发浓缩，趁热过滤的方法除去CaSO4。

“操作Ⅰ”是将滤液继续蒸发浓缩，冷却结晶，过滤，便得到了MgSO4·7H2O。

（6）根据关系式：

MgO～MgSO4·7H2O，MgSO4·7H2O的理论产量为100g×40%×

＝246g，故MgSO4·7H2O的产率为

×100%＝70%。

3．以硅藻土为载体的五氧化二钒（V2O5）是接触法生产硫酸的催化剂。

从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。

废钒催化剂的主要成分为：

物质

V2O5

V2O4

K2SO4

SiO2

Fe2O3

Al2O3

质量分数/%

2.2～2.9

2.8～3.1

22～28

60～65

1～2

＜1

以下是一种废钒催化剂回收工艺路线：

回答下列问题：

（1）“酸浸”时V2O5转化为VO

，反应的离子方程式为_______________________，同时V2O4转化成VO2＋。

“废渣1”的主要成分是________。

（2）“氧化”中欲使3mol的VO2＋变为VO

，则需要氧化剂KClO3至少为________mol。

（3）“中和”作用之一是使钒以V4O

形式存在于溶液中。

“废渣2”中含有________。

（4）“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：

4ROH＋V4O

R4V4O12＋4OH－（ROH为强碱性阴离子交换树脂）。

为了提高洗脱效率，淋洗液应该呈________性（填“酸”“碱”或“中”）。

（5）“流出液”中阳离子最多的是________。

（6）“沉钒”得到偏钒酸铵（NH4VO3）沉淀，写出“煅烧”中发生反应的化学方程式：

____________。

【答案】

（1）V2O5＋2H＋===2VO

＋H2O　SiO2

（2）0.5　

（3）Fe（OH）3和Al（OH）3　（4）碱（5）K＋　（6）2NH4VO3

V2O5＋2NH3↑＋H2O

【解析】从废钒催化剂中回收V2O5，由流程可知，“酸浸”时V2O5转化为VO2+，V2O4转成VO2+．氧化铁、氧化铝均转化为金属阳离子，只有SiO2不溶，则过滤得到的滤渣1为SiO2，然后加氧化剂KClO3，将VO2+变为VO2+，再加KOH时，铁离子、铝离子转化为Fe（OH）3、Al（OH）3沉淀，同时中和硫酸，过滤得到的滤渣2为Fe（OH）3、Al（OH）3，“离子交换”和“洗脱”可简单表示为：

4ROH+V4O124-＝R4V4O12+4OH-，由ROH为强碱性阴离子交换树脂可知，碱性条件下利用反应正向移动，流出液中主要为硫酸钾，“沉钒”得到偏钒酸铵（NH4VO3）沉淀，“煅烧”时分解生成V2O5。

（1）“酸浸”时V2O5转化为VO2+，反应的离子方程式为V2O5+2H+=2VO2++H2O，由上述分析可知滤渣1为SiO2；

（2）“氧化”中欲使3mol的VO2+变为VO2+，由电子守恒可知，则需要氧化剂KClO3至少为

=0.5mol；（3）由上述流出分析可知滤渣2为Fe（OH）3、Al（OH）3；（4）利用强碱性阴离子交换树脂可“离子交换”和“洗脱”，则应选择碱性条件下使用，且OH-浓度大反应逆向移动提高洗脱效率；（5）由上述分析可知，流出液中主要为硫酸钾，则“流出液”中阳离子最多的是K+；（6）由NH4VO3转化为V2O5，V的化合价未发生变化，该反应为非氧化还原反应，所以N的化合价仍为－3，一种生成物是NH3，另一种生成物必定是H2O。

4．（2020届安徽省濉溪县高三上学期第一次月考）明矾[KAl（SO4）2·12H2O]在生产、生活中有广泛用途：

饮用水的净化：

造纸工业上作施胶剂；食品工业的发酵剂等。

利用炼铝厂的废料－铝灰（含Al、Al2O3及少量SiO2和FeO·xFe2O3）可制备明矾。

工艺流程如下：

回答下列问题：

（1）明矾净水的原理是_______________（用离子方程式表示）

（2）操作I是__________，操作II是蒸发浓缩、____________、过滤、洗涤、干燥。

（3）将铝灰投入NaOH溶液中生成气体的化学方程式是_____________。

在滤液A中加入KMnO4发生反应的离子方程式为_______________。

（4）已知：

在pH＝3、加热条件下，MnO4－可与Mn2＋反应生成MnO2。

加入MnSO4发生反应的离子方程式为___________________，滤渣2含有的物质是__________。

【答案】

（1）Al3++3H2O

Al（OH）3（胶体）+3H+

（2）过滤冷却结晶

（3）2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑5Fe2++MnO4－+8H+=5Fe3++Mn2++4H2O

（4）3Mn2++2MnO4－+2H2O=5MnO2↓+4H+MnO2、Fe（OH）3

【解析】铝灰（含Al、Al2O3及少量SiO2和FeO•xFe2O3），加入过量稀硫酸酸溶过滤，滤液为硫酸铝、硫酸亚铁、硫酸铁，滤渣Ⅰ为二氧化硅和不溶性杂质，滤液A中加入稍过量高锰酸钾溶液氧化亚铁离子为铁离子，调节溶液PH使铁离子全部沉淀，铝离子不沉淀，加入适量硫酸锰除去过量的高锰酸钾，过滤得到二氧化锰固体和氢氧化铁沉淀，滤液主要是硫酸铝溶液，加入硫酸钾蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到硫酸铝钾晶体。

（1）明矾净水的原理是铝离子水解生成氢氧化铝具有吸附悬浮杂质的作用，反应的离子方程式为：

Al3++3H2O

Al（OH）3（胶体）+3H+；

（2）固体和液体分离需要用过滤操作，操作Ⅰ是过滤，操作Ⅱ是溶液中得到晶体的方法，利用蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤，干燥得到明矾晶体；（3）将铝灰投入氢氧化钠溶液中生成气体的反应是铝和氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，反应的化学方程式：

2Al+2NaOH+2H2O═2NaAlO2+3H2↑，酸性溶液中高锰酸钾溶液能氧化亚铁离子为铁离子，本身被还原为锰离子，反应的离子方程式为：

5Fe2++MnO4-+8H+=5Fe3++Mn2++4H2O；（4）在pH=3、加热条件下，MnO4-可与Mn2+反应生成MnO2。

加入MnSO4发生反应，反应的离子方程式为：

3Mn2++2MnO4-+2H2O=5MnO2+4H+；过滤得到反应中生成的难溶的二氧化锰和沉淀得到的氢氧化铁沉淀。