化学实验与工业流程相结合归纳

化学实验与工业流程相结合导学案

【知识积累一】

化工生产主要解决六方面问题：

1、解决将原料转化为产品的生产原理；

2、除去所有杂质并分离提纯产品；

3、提高产量与产率；

4、减少污染，考虑“绿色化学”生产；

5、原料的来源既要考虑丰富，还要考虑成本问题；

6、生产设备简单，生产工艺简便可行等工艺生产问题

化学工艺流程题，一般也就围绕这六个方面设问求解。。要准确、顺利解答工艺流程题，学生除了必须要掌握物质的性质和物质之间相互作用的基本知识以及除杂分离提纯物质的基本技能外，最关键的问题要具备分析工艺生产流程的方法和能力。

【知识积累二】

常见与工业生产有关的化学反应——传统工业不能丢

①工业制粗硅

②制漂白粉

③工业制硫酸

④合成氨工业

⑤工业制硝酸

⑥氯碱工业

⑦工业制玻璃

⑧工业制纯碱

【知识积累三】常见与生产生活相关的物质

相关物质化学式或名称

加碘食盐中含碘物质半导体材料

光导纤维

硅酸盐工业

饮用水净水剂

饮用水消毒剂

常用漂白剂

大气污染物

KIO

3

Si Ge Se

SiO

2

玻璃、水泥、陶瓷

明矾

活性炭、SO

2

、HClO、H

2

O

2

、Na

2

O

2

、O

3 Cl

2

、ClO

2

、漂白粉、O

3

、H

2

O

2

、NaClO

CO、SO

2

、NO

2

、NO

【知识积累四】工业流程题中常用的关键词

原材料：矿样（明矾石、孔雀石、蛇纹石、大理石、锂辉石、黄铜矿、锰矿、高岭土，烧渣），合金（含铁废铜），药片（补血剂），海水（污水）

灼烧（煅烧）：原料的预处理，不易转化的物质转化为容易提取的物质：如海带中提取碘

酸：溶解、去氧化物（膜）、调节PH促进水解（沉淀）

碱：去油污，去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅，调节PH促进水解（沉淀）

氧化剂：氧化某物质，转化为易于被除去（沉淀）的离子

氧化物：调节PH 促进水解（沉淀）

控制PH 值：促进某离子水解，使其沉淀，利于过滤分离

煮沸：促进水解，聚沉后利于过滤分离；除去溶解在溶液中的气体，如氧气

趁热过滤：减少结晶损失；提高纯度

解题方法：（首尾分析法）

流程图的呈现特点：主要有以物质名称、操作名称和设备名称三种形式。对工艺流程试题,首先对比分析生产流程示意图中的原材料与产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产流程过程中原料转化为产品的基本原理和除杂分离提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答.

【练习1】聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂，其单体是液态的碱式氯化铝Al 2(OH)n Cl 6-n ]本实验采用铝盐溶液水解絮凝法制备碱式氯化铝。其制备原料为分布广、价格廉的高岭土，化学组成为：Al 2O 3（25%～34%）、SiO 2（40%～50%）、Fe 2O 3（0.5%～3.0%）以及少量杂质和水分。已知氧化铝有多种不同的结构，化学性质也有差异，且一定条件下可相互转化；高岭土中的氧化铝难溶于酸。制备碱式氯化铝的实验流程如下： 煅烧溶解搅拌、过滤 调节溶液pH 在4.2～4.5蒸发浓缩90℃～100℃高岭土15%盐酸少量铝粉适量CaCO 3

Al 2(OH )n Cl 6－n

根据流程图回答下列问题：

⑴“煅烧”的目的是_______________________________________________。

⑵配制质量分数15％的盐酸需要200 mL 30％的浓盐酸（密度约为1.15 g·cm －3

）和_______ g 蒸馏水，配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、______________。

⑶“溶解”过程中发生反应的离子方程式为_____________________________________。

⑷加少量铝粉的主要作用是_____________________________________。

⑸“调节溶液pH 在4.2～4.5”的过程中，除添加必要的试剂，还需借助的实验用品是______________；“蒸发浓缩”需保持温度在90～100℃，控制温度的实验方法是__________。

解析：对比原料与产品可知，该生产的主要工序：一是除去原料高岭土中的杂质，二是将Al 203利用水解絮凝法转化为产品。再进一步分析，除铁用铝置换后过滤，高岭土中的Al 203不溶于酸，必须经煅烧改变结构。该题经这样分析，题设的所有问题的答案并在分析之中。

参考答案：（1）改变高岭土的结构，使其能溶于酸。（2）230；量筒 。

（3）Al 203+6H +==2Al 3++3H 2O Fe 2O 3+6H +==2Fe 3++3H 2O

（4）除去溶液中的铁离子； （5）pH 计（或精密pH 试纸）；水浴加热

[点评] 首尾分析法是一种解工艺流程题的常见方法，这种方法的特点：简单、直观，很容易抓住解题的关键，用起来方便有效。使用这一方法解题，关键在于认真对比分析原材料与产品的组成，从中产生将原料转化为产品和除去原材料中所包含的杂质的基本原理和所采用的工艺生产措施。当把生产的主线弄清楚了，围绕生产主线所设计的系列问题，也就可解答了。 【练习2】（07上海）．将磷肥生产中形成的副产物石膏（CaSO 4·2H 2

O ）转化为硫酸钾肥料和氯化钙水合物储热材料，无论从经济效益、资源综合利用还是从环境保护角度看都具有重要意义。以下是石膏转化为硫酸钾和氯化钙的工艺流程示意图。

（1）本工艺中所用的原料除CaSO4·2H2O、KCl外，还需要等原料

（2）写出石膏悬浊液中加入碳酸铵溶液后发生反应的离子方程式：

（3）过滤Ⅰ操作所得固体中，除CaCO3外还含有（填化学式）等物质，该固体可用作生产水泥的原料。

（4）过滤Ⅰ操作所得滤液是(NH4)2SO4溶液。检验滤液中含有CO32－的方法是：

。

（5）已知不同温度下K2SO4在100g水中达到饱和时溶解的量如下表：

温度（℃）0 20 60

K2SO4溶解的量(g) 7.4 11.1 18.2

60℃时K2SO4的饱和溶液591g冷却到0℃，可析出K2SO4晶体 g

（6）氯化钙结晶水合物（CaCl2·6H2O）是目前常用的无机储热材料，选择的依据是

a 熔点较低（29℃熔化）

b 能导电

c 能制冷

d 无毒

（7）上述工艺流程中体现绿色化学理念的是：。

答案：（1）CaCO3 NH3 H2O；（2）CaSO4＋CO32－→CaCO3↓＋SO42－；（3）CaSO4

（4）滤液中滴加盐酸产生气泡；（5）54g；（6）a d

（7）碳酸钙用于制水泥原料、硫酸钙和氯化钾转化为硫酸钾和氯化钙、氨在工艺中循环使用等（原子利用率高，没有有害物质排放到环境中）

解析：此题是一道以工业生产为背景的实验题，考查了实验基本操作、离子检验、溶解度计算等。从生产流程图可以看出，所需原料除CaSO4?2H2O、KCl外，还需要氨气、石灰石和水。硫酸钙是微溶的，碳酸钙是难溶的，因此石膏悬浊液中加入碳酸铵溶液后生成了碳酸钙和硫酸铵，生成的碳酸钙中混有石膏。碳酸根的检验可用酸化的方法，若产生气泡说明虑液中含有碳酸根。硫酸钾饱和溶液在结晶过程中溶剂的量不不变，查表可知不同温度下的溶解度，先求出591饱和液中含有的水是500g，在0℃可溶解硫酸钾37g，所以析出晶体54g。作为储热材料，要求能在室温左右的温度下工作，且对人体无害，故选ad；绿色化学要求整个生产过程中不排放污染物，原子利用率高，因此生产流程中碳酸钙用于制水泥原料、硫酸钙和氯化钾转化为硫酸钾和氯化钙、氨在工艺中循环使用

【知识积累五】化工生产的主要操作：

过滤、结晶、重结晶、洗涤、干燥、灼烧、分液、重复操作2-3次等。

其中结晶应注意：

（1）当溶液是单一溶质时

①所得晶体不带结晶水（如NaCl、K NO3）：蒸发、结晶

②所得晶体带结晶水（如CuSO4.5H2O、摩尔盐即硫酸亚铁铵[(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O]）：蒸发浓缩（至有晶膜出现），冷却结晶，过滤

（2）当溶液中有两种或以上溶质时

要得到溶解度受温度影响小的溶质：浓缩（结晶），趁热过滤

要得到溶解度受温度影响大的：蒸发浓缩，冷却结晶，过滤

绿色化学理念：

（1）环境污染问题；（2）原子的经济性；（3）节约能源（包括使用催化剂）；

（4）原料应是可再生的（或者可循环使用）；（5）工艺的安全性

【练习3】.胆矾是一种常见的化合物，工业上它也是一种制取其它含铜化合物的原料。现有废铜（主要杂质为Fe）来制备胆矾。有人设计了如下流程：

pH值控制可参考下列数据

物质开始沉淀时的pH值完全沉淀时的pH值

氢氧化铁 2.7 3.7

氢氧化亚铁7.6 9.6

氢氧化铜 5.2 6.4

请根据上述流程回答下列问题：

（1）A物质可选用_____（填字母）。

a．稀H2SO4 b．浓H2SO4/ c．浓FeCl3溶液 d．浓HNO3

（2）I中加H2O2的目的_____________________________________________。

（3）II中加Cu2（OH）2CO3的目的是___________________________________________；

其优点是____________________________________________________________。

（4）III加热煮沸时发生的化学反应的离子方程式为________________________。

（5）V中加H2SO4调节pH=1是为了____________________________________________。

（6）V到VI的操作是

（7）某工程师认为上述流程中所加的A物质并不理想，需作改进，其理由是__________。

如何改进___________________。

答案：.（1）b；

（2）将亚铁离子氧化为铁离子；

（3）中和过量的硫酸，调节溶液的pH，使Fe3+水解完全而沉淀；不引入新的杂质；

（4）Fe3++3H2O=Fe（OH）3↓+3H+；（条件：加热）

（5）抑制Cu2+的水解

（6）蒸发浓缩，冷却结晶，过滤

（7）产生污染环境的二氧化硫，硫酸利用率低；加热，并在稀硫酸中通入氧气。（其它合理答案，酌情给分）

【课后巩固】

1．明矾石是制取钾肥和氢氧化铝的重要原料，明矾石的组成和明矾相似，此外还含有氧化铝和少量氧化铁杂质。具体实验步骤如下图所示：

根据上述图示，完成下列填空：

(1）明矾石焙烧后用稀氨水浸出。配制500mL 稀氨水（每升含有39.20g 氨）需要取浓氨水（每升含有251.28g 氨）__________mL ，用规格为_______mL 量筒量取。

(2）氨水浸出后得到固体混合体系，过滤，滤液中除K ＋、SO 42－外，还有大量的NH 4＋。检验NH 4＋

的方法是_______________________________________________________。

(3）写出沉淀物中所有物质的化学式________________________________________。

(4）滤液I 的成分是水和______________。

(5）为测定混合肥料K 2SO 4、(NH 4)2SO 4中钾的含量，请完善下列步骤：

①称取钾氮肥试样并溶于水，加入足量______溶液，产生白色沉淀。②___________、__________、_________(依次填写实验操作名称)。③冷却、称重。

(6）若试样为mg ，沉淀的物质的量为nmol ，则试样中K 2SO 4的物质的量为：______mol （用含有m 、n 的代数式表示）。

2．（09年上海化学·27）实验室用大理石等原料制取安全无毒的杀菌剂过氧化钙。大理石的主要杂质是氧化铁，以下是提纯大理石的实验步骤：

（1）溶解大理石时，用硝酸而不同硫酸的原因是 。

（2）操作Ⅱ的目的是 ，溶液A （溶质是共价化合物）是 。

（3）写出检验滤液中是否含铁离子方程式： 。

（4）写出加入碳酸铵所发生反应的离子方程式： 。

写出滤液B 的一种用途： 。

（5）CaO 2中一般含CaO 。试按下列提示完成CaO 2含量分析的实验设计。

试剂：氢氧化钠标准溶液、盐酸标准溶液、酚酞 仪器：电子天平、锥形瓶、滴定管

实验步骤：

① ；②加入 ；③加入酚酞，用氢氧化钠标准溶液滴定。

（6）若理论上滴定时耗用标准溶液20.00mL 恰好完全反应，实际操作中过量半滴（1mL 溶液为25滴），则相对误差为 。

3. 亚氯酸钠（NaClO 2）是一种重要的含氯消毒剂。以下是过氧化氢法生产亚氯酸钠的工艺流程图：

已知：①NaClO 2的溶解度随温度升高而增大，适当条件下可结晶析出NaClO 2·3H 2O 。 溶解 NaClO 3

H 2O

溶解 稀H 2SO 4 ClO 2发生器 SO 2和空气混合气 吸 收 160g/L NaOH H 2O 2 过滤 滤液 NaClO 2·3H 2O

②ClO 2的沸点为283K ，纯ClO 2易分解爆炸，常用稀有气体或空气稀释防止爆炸性分解

③HClO 2在25℃时的电离常数与硫酸的第二步电离常数相当，可视为强酸。

（1）160 g ·L －1NaOH 溶液的物质的量浓度为_______________。若要计算该溶液的质量分数，还需要的一个数据是_______________。

（2）ClO 2发生器中所发生反应的化学方程式为_________________________________。发生器中鼓入空气的作用可能是_______________（选填序号）。

(a)将SO 2氧化成SO 3，增强酸性；(b)稀释ClO 2以防止爆炸；(c)将NaClO 3氧化成ClO 2

（3）吸收塔中为防止产生NaClO 2被继续还原成NaCl ，所用还原剂的还原性应适中。除H 2O 2处，还可以选择的还原剂是____________（填序号）

A ．Na 2O 2

B ．Na 2S

C ．FeCl 2

D ．KMnO 4

（4）在碱性溶液中NaClO 2比较稳定，所以吸收塔中应维持NaOH 稍过量，判断NaOH 是否过量的简单实验方法是__________________________________________。

（5）从滤液中得到NaClO 2?3H 2O 粗晶体的实验操作依次是____________（选填序号）。

A ．蒸馏

B ．蒸发

C ．灼烧

D ．过滤

E ．冷却结晶 （6）从滤液中得到NaClO 2·3H 2O 晶体还必须进行的操作是____________（填操作名称）。 2、（1）4 mol·L －1；溶液的密度；（2）2NaClO 3＋SO 2＋H 2SO 4＝2ClO 2＋2NaHSO 4 或2NaClO 3＋SO 2

＝2ClO 2＋Na 2SO 4（2分）b ；（3）A ；（4）定吸收塔内溶液的pH ；（5）BED 或ED ；（6）重结晶

4. 蛇纹石矿可以看作由MgO 、Fe 2O 3、Al 2O 3、SiO 2组成。由蛇纹石制取碱式碳酸镁的实验步骤如下：

（1）蛇纹石矿加盐酸溶解后，溶液里除了Mg 2+外，还含有的金属离子是_____________。

（2）进行Ⅰ操作时，控制溶液pH ＝7～8（有关氢氧化物

沉淀的pH 见右表），Ca(OH)2不能过量，若Ca(OH)2过量

可能会导致_____________溶解、_____________沉淀。

（3）从沉淀混合物A 中提取红色氧化物作颜料，先向沉

淀物A 中加入_________（填入物质的化学式），然后_____________________________（依次填写实验操作名称）。

（4）物质循环使用，能节约资源。上述实验中，可以循环使用的物质是_________（填写物质化学式）。

（5）现设计一个实验，确定产品a MgCO 3·b Mg(OH)2·c H 2O 中a 、b 、c 的值，请完善下列实验步骤（可用试剂：浓硫酸、碱石灰）：①样品称量 ②高温分解 ③_____________ ④_____________ ⑤MgO 称量

（6）18.2 g 产品完全分解后，产生6.6 g CO 2和8.0 g MgO ，由此可知，产品的化学式中：a ＝______，b ＝________，c ＝_______。

5．回收的废旧锌锰于电池经过处理后得到锰粉(含MnO 2、Mn(OH)2、Fe 、乙炔和黑炭等)，由锰粉制取MnO 2的步骤如下图所示。

氢氧化物

Fe(OH)3 Al(OH)3 Mg(OH)2 开始沉淀pH 1.5 3.3 9.4

根据上图所示步骤并参考表格数据，回答下列问题。

（1）在加热条件下用浓盐酸浸取锰粉，所得溶液中含

有Mn 2+、Fe 2+等。MnO 2与浓盐酸反应的离子方程式

为 。

（2）锰粉经浓盐酸浸取，过滤I 除去不溶杂质后，向

滤液中加入足量H 2O 2溶液，其作用是____________。

（3）过滤I 所得滤液经氧化后，需加入NaOH 溶液调节pH 约为5.1，其目的是_____________。

（4）过滤Ⅱ所得滤液加入足量H 2O 2溶液并加入NaOH 溶液调节pH 约为9，使Mn 2+氧化得到MnO 2，反应的离于方程式为 。

（5）实验室进行过滤操作时．需要用到的玻璃仪器有 。

6.以黄铜矿（主要成分是CuFeS 2，含少量杂质SiO 2）为原料炼铜的方法分为高温炼铜和湿法炼铜两种。近年来，湿法炼铜有了新进展，科学家发现有一种细菌在酸性水溶液、氧气存在下，可以将黄铜矿氧化成硫酸盐：

4CuFeS 2＋2H 2SO 4＋17O 2＝4CuSO 4＋2Fe 2(SO 4)3＋2H 2O

某工厂运用该原理生产铜和绿矾的工艺如下：

回答下列问题： （1）固体A 的成分为 （写化学式）；（2）写出反应Ⅲ的化学方程式 ；

（3）试剂a 为 ，试剂b 为 ；

（4）欲从溶液中获得绿矾晶体，分离操作Ⅰ应为 、 、 。

答案：1【解析】（1）根据稀释前后溶质质量不变得：0.5L×39.2g/L ＝v×251.28g/L ，v ＝0.078L ＝78mL 。为了减少误差，最好选用与氨水的实际体积稍大一点的量筒即可。

（2）NH 4＋的检验方法是先将NH 4＋

中加入强碱，使之转化为NH 3，然后检验NH 3：用润湿的红色石蕊试纸放在向移的试管口，试纸变蓝色，说明有氨气放出，原物质中含有铵根离子。

（3）Al 3＋＋3NH 3·H 2O ===Al(OH)3↓＋3NH 4＋，根据题意明矾石中含有Al 2O 3、Fe 2O 3，所以沉淀物为Al(OH)3、Al 2O 3和Fe 2O 3。

（4）由于明矾石的组成与明矾相似，所以滤液的成分中含有K 2SO 4和反应后生成的(NH 4)2SO 4以及水。

（5）混合肥料中含有K 2SO 4和(NH 4)2SO 4，要产生白色沉淀，加入的溶液为BaCl 2或Ba(NO 3)2溶液，以后的操作为：先将混合液过滤，然后洗涤，最后干燥，冷却后称量。

（6）根据题意有：174n(K 2SO 4)＋132n[(NH 4)2SO 4]=mg……①，

再由SO 24守恒得：n(K 2SO 4)＋n[(NH 4)2SO 4]=nmol… …②，n (K 2SO 4) ＝m －132n 42

mol 。 【答案】(1)78；100。(2)取滤液少许，加入NaOH ，加热，生成的气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。黄铜矿粉

浸泡于稀硫酸，细菌

不断通入氧气，数天后过滤

Fe 2(SO 4)3 CuSO 4 混合溶液加入过量CuO

搅拌、过滤固体A

加入试剂a

反应Ⅳ

反应Ⅴ 加入试剂b 滤液 操作Ⅰ 绿矾

4溶液反应Ⅲ Cu 反应Ⅰ 反应Ⅱ 过滤

(3)Al(OH)3；Al 2O 3；Fe 2O 3。(4)K 2SO 4；(NH 4)2SO 4。(5)BaCl 2；过滤；洗涤；干燥。(6)m －132n 42

mol 。 2解析：(1)H 2SO 4与CaCO 3反应生成CaSO 4，CaSO 4微溶于水，附着在CaCO 3的表面，阻止反应进一步发生。

(2)溶液A 应呈碱性且溶质为共价化合物，故溶液A 是氨水，目的是除去Fe 3＋。

(3)Fe 3＋能与KSCN 溶液反应生成红色的Fe(SCN)3，用此反应物质来检验Fe 3＋的存在。

(4)滤液B 的主要成分是NH 4NO 3，可用于制造化肥。

(5)首先称量固体的质量，再加入过量的盐酸标准溶液，过量的盐酸再用NaOH 标准溶液滴定。

(6)半滴溶液的体积为1 mL 25×12＝150mL ，则相对误差为? ??

??150 mL/20.00 mL ×100%＝0.1%。 答案：(1)硫酸钙微溶于水 (2)除去溶液中Fe 3＋ 氨水

(3)取少量滤液，向其中加入硫氰化钾溶液，溶液不变红色，说明滤液中不含Fe 3＋；或取少量滤液，向

其中加入硫氰化钾溶液，溶液变红色，说明滤液中含Fe 3＋

(4)Ca 2＋＋CO 2－3===CaCO 3↓ 作化肥 (5)称量 过量的标准盐酸 (6)0.1%

3、（1）4 mol·L －1；溶液的密度；（2）2NaClO 3＋SO 2＋H 2SO 4＝2ClO 2＋2NaHSO 4 或2NaClO 3＋SO 2

＝2ClO 2＋Na 2SO 4（2分）b ；（3）A ；（4）定吸收塔内溶液的pH ；（5）BED 或ED ；（6）重结晶 4、⑴Fe 3+ 、Al 3+；⑵Al(OH)3，Mg(OH)2；⑶NaOH ，过滤、洗涤、灼烧；⑷CO 2；⑸③测出CO 2的质量；④测出水蒸气的质量；⑹3、1、3。

解析(1)蛇纹石矿被盐酸溶解 (SiO 2不与盐酸反应。以固体形式先被除去，这时溶液中的、Fe 3+、A13+

是杂质。且该溶液呈强酸性。需除去Fe 3+、A13+、H +．(2)从流程图中可看出是将Fe 3+、A13+转变成Fe(OH)3、(0H)3沉淀。但除Fe 3+、A13+的过程中一定不能损失Mg2．为达到这个目的。题示应用的原理是水解，只要加入一种能消耗H 的物质，就能使上述水解平衡向水解方向移动．题给方案是加Ca(0H)2的方法，先加入适量的Ca(0H)2，将Fe 3+沉淀，要求pH<3．3，这时可以得到Fe(0H)(即沉淀物A ，其中含少量氢氧化铝沉淀)，过滤后再继续加Ca(OH)2，使Al 3+转变为Al (0H)3沉淀(即沉淀物B)。这一步加入的Ca(0H)2不能太多。需将溶液的pI-I 控制在7～8以内．若pH 小于7，则AP 不能完全沉淀；若pH 过高。则将导致生成的Al(0H)3又溶解。同时Mg 2+也会转化为沉淀而损失掉．最后先将Mg 2+转化成Mg(HCO3)2。再在控制加热的条件下利用水解原理生成碱式碳酸镁。在此过程中∞是可重复使用的．(3)制纯净的o3时应将其中含有的少量(0H)3除去．除(OH)3的方法是利用它能溶解在强碱中。而Fe(0H)3不溶的性质．(OH)3溶解后的操作是过滤、洗涤、灼烧．(5)是确定碱式碳酸镁组成的实验方案，原理是口MNXh ．bMg(OH)2．cH2o 塑(n+6)MgO+aCCh 十+(b+c)H2O 需测定的数据有：①样品的质量，②MgO 的质量，③生成的O32的质量(或体积)，④生成的水的质量．(6)rt-t(样品)=18．2gm(o32)=6．6gm(Met3)：8．0gm(H2O)=18．2g 一6．6g 一8．0g=3．6gn(MgO)：潞=0．2moln(CCh)=潞6．6：0．15mol(H20)砸

3．60．2mol 从而得a ：b ：c=0．15：0．05：0．15=3：1：3。即a=3。b ：1。c=3． 5

6．（共9分）（1）Fe(OH)3 、CuO （2分） （2）CuSO 4 + Fe ＝ Cu + FeSO 4 （2分）

（3）稀H 2SO 4，铁粉（2分） （4）蒸发浓缩、冷却结晶、过滤（3分）