专题01 化学工艺流程与物质制备

01．化学工艺流程与物质制备

【题型分析】

物质制备类化工流程题常以某种物质(目标产物)的制备为基础，涉及原料的预处理、物质的制备原理、产品的分离及提纯等具体步骤，兼顾考查元素及其化合物、化学基本概念和基本理论、化学实验等知识。一个完整的物质制备类化工生产流程一般包括以下具体内容：

【知识解读】1．熟悉经典流程

(1)海水提溴

(2)海水提碘：海带中碘的提取

(3)海水提镁

(4)海水提盐与氯碱工业、钠的制备

(5)从铝土矿中获得铝

流程Ⅰ：

流程Ⅱ：

(6)工业上制高纯硅 石英砂――→a.焦炭高温粗硅――→b.Cl 2加热四氯化硅――→c.H 2高温

纯硅 (7)硫酸的工业生产

(8)合成氨与硝酸工业

2．制备过程中控制反应条件的6种常用方法

【题型示例】

例1：( 2019年新课标Ⅰ卷)硼酸(H3BO3)是一种重要的化工原料，广泛应用于玻璃、医药、肥料等工艺。一种以硼镁矿(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：

回答下列问题：

(1)在95 ℃“溶侵”硼镁矿粉，产生的气体在“吸收”中反应的化学方程式为_________。

(2)“滤渣1”的主要成分有_________。为检验“过滤1”后的滤液中是否含有Fe3+离子，可选用的化学试剂是_________。

(3)根据H3BO3的解离反应：H3BO3+H2O H++B(OH)?4，K a=5.81×10?10，可判断H3BO3是_______酸；在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是_______________。

(4)在“沉镁”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的离子方程式为__________，母液经加热后可返回

___________工序循环使用。由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是_________。

【答案】(1) NH3+NH4HCO3=(NH4)2CO3(2) Fe2O3、Al2O3、SiO2KSCN

(3) 一元弱酸目的是将B(OH)?4转化为H3BO3，并促进H3BO3析出

(4) 2Mg2++2H2O+3CO32-=Mg(OH)2?MgCO3↓+2HCO3-

母液加热分解后生成硫酸铵溶液，可以返回“溶浸”工序循环使用 高温焙烧

【解析】(1)根据流程图知硼镁矿粉中加入硫酸铵溶液产生的气体为氨气，用碳酸氢铵溶液吸收，反应方程式为：NH 3+NH 4HCO 3=(NH 4)2CO 3；(2)滤渣I 为不与硫酸铵溶液反应的Fe 2O 3、Al 2O 3、SiO 2;检验Fe 3+,可选用的化学试剂为KSCN ；(3)由硼酸的离解方程式知，硼酸在水溶液中是通过与水分子的配位作用产生氢离子，而三价硼原子最多只能再形成一个配位键，且硼酸不能完全解离，所以硼酸为一元弱酸；在“过滤2”前，将溶液pH 调节至3.5，目的是将B(OH)?4转化为H 3BO 3，并促进H 3BO 3析出；(4)沉镁过程中用碳酸铵溶液与Mg 2+反应生成Mg(OH)2?MgCO 3，沉镁过程的离子反应为：2Mg 2++2H 2O+3CO 32-=Mg(OH)2?MgCO 3↓+2HCO 3-；母液加热分解后生成硫酸铵溶液，可以返回“溶浸”工序循环使用；碱式碳酸镁不稳定，高温下可以分解，故由碱式碳酸镁制备轻质氧化镁的方法是高温焙烧。

例2：( 2019年江苏高考化学)实验室以工业废渣(主要含CaSO 4·2H 2O ，还含少量SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3)为原料制取轻质CaCO 3和(NH 4)2SO 4晶体，其实验流程如下：

(1)室温下，反应CaSO 4(s)+CO 32- (aq) CaCO 3(s)+SO 42- (aq)达到平衡，则溶液中()

()2423SO CO c c --=________[K sp (CaSO 4)=4.8×10?5，K sp (CaCO 3)=3×10?9]。

(2)将氨水和NH 4HCO 3溶液混合，可制得(NH 4)2CO 3溶液，其离子方程式为________；浸取废渣时，向(NH 4)2CO 3溶液中加入适量浓氨水的目的是_____________________。

(3)废渣浸取在如图所示的装置中进行。控制反应温度在60~70 ℃，搅拌，反应3小时。温度过高将会导致CaSO 4的转化率下降，其原因是________；保持温度、反应时间、反应物和溶剂的量不变，实验中提高

CaSO 4转化率的操作有________。

(4)滤渣水洗后，经多步处理得到制备轻质CaCO 3所需的CaCl 2溶液。设计以水洗后的滤渣为原料，制

取CaCl 2溶液的实验方案：

______[已知pH=5时Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀完全；pH=8.5时Al(OH)3开始溶解。实验中必须使用的试剂：盐酸和Ca(OH)2]。

【答案】(1) 1.6×104

(2)HCO 3-+NH 3·H 2O ＝NH 4++CO 32-+H 2O(或HCO 3-+NH 3·H 2O

NH 4++CO 32-+H 2O) 增加溶液中CO 32-的浓度，促进CaSO 4的转化

(3)温度过高，(NH 4)2CO 3分解 加快搅拌速率

(4)在搅拌下向足量稀盐酸中分批加入滤渣，待观察不到气泡产生后，过滤，向滤液中分批加入少量 Ca(OH)2，用pH 试纸测量溶液pH ，当pH 介于5~8.5时，过滤

【解析】(1)反应CaSO 4(s)+CO 32-(aq)

CaCO 3(s)+SO 42-(aq)达到平衡时，溶液中2423c SO c CO --（）（）=22

4223c Ca ?SO c Ca ?CO +-+-（）（）（）（）=sp 4sp 3K CaSO K CaCO?（）（）=594.810310--??=1.6×104；(2)NH 4HCO 3属于酸式盐，与氨水反应生成(NH 4)2CO 3，反应的化学方程式为NH 4HCO 3+NH 3·H 2O=(NH 4)2CO 3+H 2O[或NH 4HCO 3+NH 3·H 2O (NH 4)2CO 3+H 2O]，离子方程式为HCO 3-+NH 3·H 2O=NH 4++CO 32-+H 2O(或HCO 3-+NH 3·H 2O NH 4++CO 32-+H 2O)；浸取废渣时，加入的(NH 4)2CO 3属于弱酸弱碱盐，溶液中存在水解平衡：

CO 32-+NH 4++H 2O HCO 3-+NH 3·H 2O ，加入适量浓氨水，水解平衡逆向移动，溶液中CO 32-的浓度增大，反应CaSO 4(s)+CO 32-(aq) CaCO 3(s)+SO 42-(aq)正向移动，促进CaSO 4的转化；(3)由于铵盐具有不稳定性，受热易分解，所以温度过高，(NH 4)2CO 3分解，从而使CaSO 4转化率下降；由于浸取过程中的反应属于固体与溶液的反应(或发生沉淀的转化)，保持温度、反应时间、反应物和溶剂的量不变，提高CaSO 4转化率即提高反应速率，结合外界条件对化学反应速率的影响，实验过程中提高CaSO 4转化率的操作为加快搅拌速率(

即

增大接触面积，加快反应速率，提高浸取率)；(4)工业废渣主要含CaSO4·2H2O，还含有少量SiO2、Al2O3和Fe2O3，加入(NH4)2CO3溶液浸取，其中CaSO4与(NH4)2CO3反应生成CaCO3和(NH4)2SO4，SiO2、Al2O3和Fe2O3都不反应，过滤后所得滤渣中含CaCO3、SiO2、Al2O3和Fe2O3；若以水洗后的滤渣为原料制取CaCl2溶液，根据题给试剂，首先要加入足量盐酸将CaCO3完全转化为CaCl2，发生的反应为CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑，与此同时发生反应Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O、Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O，SiO2不反应，经过滤除去SiO2；得到的滤液中含CaCl2、AlCl3、FeCl3，根据“pH=5时Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀完全，pH=8.5时Al(OH)3开始溶解”，为了将滤液中Al3+、Fe3+完全除去，应加入Ca(OH)2调节溶液的pH介于5~8.5[加入Ca(OH)2的过程中要边加边测定溶液的pH]，然后过滤即可制得CaCl2溶液。

【对点训练】

1．(2020届山东省济南市高三上学期期末考试)硫酸渣(含Fe2O3、SiO2等)是指黄铁矿制硫酸后的残渣。以硫酸渣为原料制备氧化铁黄(α-FeOOH)的一种工艺流程如图。回答下列问题：

(1)“酸溶”过程中加快溶解的方法为________________(写出一种即可)。

(2)“滤渣X”的成分主要有SiO2和________________。

(3)若在实验室中进行上述流程，“洗涤”的方法是___；“研磨”所用的仪器是________。

(4)“还原”之后也可以采用如图流程来“沉铁”，“沉铁”过程中生成Fe(OH)2的离子方程式为

_______________；若用过量CaCO 3“沉铁”，则会生成FeCO 3沉淀。“沉铁”后2+2+c(Ca )c(Fe )

=__[已知K sp (CaCO 3)=2.8×10-9，K sp (FeCO 3)=2×10-11]。

【答案】(1)加热、搅拌、粉碎固体、适当增大硫酸浓度 (2)S

(3)沿玻璃棒向漏斗中注入蒸馏水，使蒸馏水完全浸没沉淀，待液体流尽后，重复操作2-3次 研钵

(4)Fe 2++2HCO 3-=Fe(OH)2↓+2CO 2↑ 140

【解析】(1)酸溶时，加热、搅拌或粉碎固体、适当增大硫酸浓度，可增大速率；(2)“滤渣X”的成分主要有SiO 2，加入FeS 2将溶液中的Fe 3+还原为Fe 2+，还可能生成S 单质；(3)“洗涤”的方法是沿玻璃棒向漏斗中注入蒸馏水，使蒸馏水完全浸没沉淀，待液体流尽后，重复操作2-3次，“研磨”所用的仪器是研钵；(4)沉铁”过程中生成Fe(OH)2的离子方程式为Fe 2++2HCO 3-═Fe(OH)2↓+2CO 2↑，若用CaCO 3“沉铁”，则生成FeCO 3

沉淀，当反应完成时，溶液中c 29

32113()() 2.810140()210

c Ca Ksp CaCO c Fe Ksp FeCO +-+-?===?（） 。 2．(2020届广东省中山市高三上学期期末统考)黄血盐[亚铁氰化钾，K 4Fe(CN)6] 目前广泛用作食品添加剂(抗结剂)，我国卫生部规定食盐中黄血盐的最大使用量为10mg/kg 。一种制备黄血盐的工艺如下：

回答下列问题：

(1)步骤I 反应的化学方程式为__________________________________。

(2)步骤IV 过滤所得的废液中含量较多的溶质为______(填化学式)。

(3)步骤V是将难溶的K2CaFe(CN)6与X反应脱钙生成K4Fe(CN)6，所用的试剂X是_____。(填名称)

(4)工艺中用到剧毒的HCN溶液，含CN-的废水必须处理后才能排放。

①25°C时Ka(HCN)=6.25×10-10；计算25℃时0.01mol?L-1的HCN溶液的pH=___________(lg2.5=0.4)。

②处理含CN-废水的方法：第一步控制pH>10，用NaClO溶液先将CN-不完全氧化为OCN；第二步控制pH为7.5?8.5，用NaClO溶液完全氧化OCN生成N2和两种盐(其中一种为酸式盐)。

第一步控制强碱性的主要目的是___________________________________，第二步反应的离子方程式为____________________。

【答案】(1)3Ca(OH)2+FeSO4+6HCN=Ca2Fe(CN)6+CaSO4+6H2O

(2)CaCl2(KCl可答，也可不答) (3)碳酸钾

(4) ①5.6 ②HCl有剧毒，防止生成HCN污染环境2OCN-+3ClO-+H2O=N2↑+3Cl-+2HCO3-

【解析】(1)步骤Ⅰ中石灰乳、硫酸亚铁及过量HCN溶液混合可得Ca2Fe(CN)6，反应的化学方程式为3Ca(OH)2+FeSO4+6HCN=Ca2Fe(CN)6+CaSO4+6H2O；(2)步骤Ⅵ过滤所得的废液中含量较多的溶质为

CaCl2(或答CaCl2、KCl)；(3)步骤V目的是进行脱钙处理，降低溶液中Ca2+的含量，所用的试剂X是K2CO3；

(4)①25°C时Ka(HCN)=6.25×10-10，根据平衡常数的含义，K=

()()

()

()

2

c H c CN c H

c HCN0.01

+-+

==6.25×10-10，解

得c(H+)=2.5×10-6 mol/L，所以在25℃时0.01 mol/L的HCN溶液的pH =-lg2.5×10-6=6-0.4=5.6；②第一步控制强碱性的主要目的是防止生成HCN，污染环境；第二步是用NaClO“不完全氧化”OCN-生成N2和两种盐，根据电子守恒、电荷守恒可知发生反应的离子方程式为2OCN-+3ClO-+H2O=N2↑+3Cl-+2HCO3-。

3．(2020年山东省济宁市高三上学期期末教学质量检测)明代《天工开物》记载了“火法”冶炼锌的方法：“炉甘石十斤，装载入一泥罐内，…然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红，…冷淀，毁罐取出，…，即倭铅也”，现代工业开发了用NH3—NH4Cl水溶液浸出氧化锌烟灰(主要成分为ZnO 、少量Pb、CuO和As2O3)制取高纯锌的工艺流程如图所示。

请回答下列问题：

(1)《天工开物》中炼锌的方法中“泥封”的目的是__________________________。

(2)滤渣1的主要成份分别是_______(填化学式)，“过滤”用到的玻璃仪器是__________。

(3) “溶浸”时，氧化铜参与反应的相关离子方程式是____________________；“溶浸”时可以适当升高温度，但不宜过高，其原因是__________________________________。

(4) “氧化除杂”的目的是将AsCl52-转化为As2O5胶体，再经吸附聚沉除去，溶液始终接近中性，该反应的离子方程式是___________________________________。

(5) “电解”含[Zn(NH3)4]2+的溶液，阴极放电的电极反应式是_____________________。阳极区产生一种无色无味的气体，将其通入滴有KSCN的FeCl2溶液中，无明显现象，该气体是_______(写化学式)。

【答案】(1)防止得到的锌被氧化(2)Pb 烧杯、漏斗、玻璃棒

(3)CuO+2NH3+2NH4+=[Cu(NH3)4]2++H2O或CuO+2NH3?H2O +2NH4+=[Cu(NH3)4]2++3H2O

避免氨水的分解与挥发

(4)2AsCl52-+2H2O2+6 NH3·H2O=As2O5(胶体)+10Cl-+6 NH4++5H2O或

2AsCl52-+2H2O2+6NH3+H2O=As2O5(胶体)+10Cl-+6NH4+

(5) [Zn(NH3)4]2++2e-= Zn+4NH3↑ N2

【解析】(1) “火法”冶炼锌时，由于锌是比较活泼的金属，“泥封”的目的是防止锌被氧化；(2)由以上分析可知滤渣1为Pb，“过滤”用到的玻璃仪器是烧杯、漏斗、玻璃棒；(3) “溶浸”时，氧化铜加入氨水和氯化铵时，将氧化铜转化为[Cu(NH3)4]2+，反应的离子方程式为：CuO+2NH3+2NH4+=[Cu(NH3)4]2++H2O或CuO+2NH3?H2O +2NH4+=[Cu(NH3)4]2++3H2O；温度太高时，氨水易分解和挥发，所以温度不宜过高，可避免氨水的分解和挥发；(4) “氧化除杂”中，AsCl52?转化为As2O5胶体吸附聚沉除去，反应的离子方程式为2AsCl52-+2H2O2+6 NH3·H2O=As2O5(胶体)+10Cl-+6 NH4++5H2O或2AsCl52-+2H2O2+6NH3+H2O=As2O5(胶体)+10Cl-+6NH4+；(5) “电解”时Zn(NH3) 42+在阴极放电，发生还原反应生成锌，电极反应式为：

[Zn(NH3)4]2++2e-= Zn+4NH3↑，阳极区放出一种无色无味的气体，将其通入滴有KSCN的FeCl2溶液中，无明显现象，说明气体没有氧化性，该气体是氮气。

4．(2020届广东省兴宁市第一中学高三上学期期末考试)氧化镁在易燃材料中常被用作阻燃剂，碳酸镁高温分解法是工业上制备轻质氧化镁的常用方法。镁硅矿主要成分为Mg3(Si2O5)(OH)4和还有少量的Fe2O3、Al2O3等。以镁硅矿为原料制备碳酸镁晶体(MgCO3?nH2O)的生产流程如下：

已知“焙烧”过程中的主要反应为：Mg3(Si2O5)(OH)4＋5(NH4)2SO43MgSO4＋10NH3↑＋2SiO2＋7H2O↑＋2SO3↑

(1)Mg3(Si2O5)(OH)4用氧化物的形式表示为________________，焙烧产物NH3的电子式为

_______________。

(2)为提高水浸速率，可采取的措施为_______________(任写一种)。“浸渣”的主要成分为

_______________。

(3)“除铝、铁”时，需将溶液pH调至8.0左右，适宜作调节剂的是__(填字母代号)。

a．Ca(OH)2b．Mg(OH)2c．NH3?H2O

(4)“沉镁”过程中反应的离子方程式为____________________________。“沉镁”时若温度超过60℃，将会产生较多的碱式碳酸镁杂质，原因是_____________________________。

(5)流程中可以循环利用的物质是___(填化学式)。

(6)为测定产品MgCO3?nH2O中的n值，称取15.6g产品进行充分加热至恒重，冷却，称得固体质量为4g，则n＝_______________。

【答案】(1)3MgO?2SiO2?2H2O

(2)将焙烧渣粉碎、加热或搅拌SiO2(3)bc

(4)Mg2++2HCO3-+(n－1)H2O=MgCO3·nH2O↓+CO2↑ 升温促进Mg2+水解

(5)(NH4)2SO4(6)3

【解析】(1)化学式改写成相应的氧化物的形式，按照活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、SiO2、H2O 的顺序来书写，Mg3(Si2O5)(OH)4用氧化物的形式表示为：3MgO?2SiO2?2H2O；氨气为共价化合物，其电子式为：；(2)为提高水浸速率，可采取的措施有：将焙烧渣粉碎、加热或搅拌等；石棉尾矿加入硫酸铵焙烧得到MgSO4、SiO2、Fe2O3、Al2O3，水浸，SiO2不溶于水形成浸渣；(3)“除铁、铝”时，需将pH调至8.0左右，选择不引入新杂质的试剂，故可选用Mg(OH)2或NH3?H2O；(4)“沉镁”过程中反应的离子方程式为：Mg2++2HCO3-+(n-1)H2O=MgCO3?nH2O↓+CO2↑；升温促进Mg2+水解生成Mg(OH)2，Mg(OH)2与CO2反应生成碱式碳酸镁；(5)沉镁过程的滤液为(NH4)2SO4，可循环使用；(6)称取13.8gMgCO3?nH2O进行受热分

解，MgCO2?nH2O受热分解生成MgO、CO2、H2O，最终剩余的固体为MgO4.0g，n(Mg)=

4.0

40/

g

g mol

=0.1mol，

则n(MgCO3)=n(Mg)=0.1mol，m(MgCO3)=8.4g，m(H2O)=13.8g-8.4g=5.4g，n(H2O)=

5.4

18/

g

g mol

=0.3mol，1：

n=n(MgCO3)：n(H2O)=0.1：0.3，故n=3。