無機(jī)化工流程圖題的突破策略

高細(xì)堂

化學(xué)工藝流程題就是將化工生產(chǎn)中的主要生產(chǎn)階段即生產(chǎn)流程用框圖形式表示出來，并根據(jù)生產(chǎn)流程中涉及的化學(xué)知識進(jìn)行巧妙設(shè)問，與化工生產(chǎn)緊密聯(lián)系的試題。根據(jù)“化學(xué)工藝流程題”的特點(diǎn)，要準(zhǔn)確、順利地解題，除了要掌握高中化學(xué)必備的知識外，最關(guān)鍵的是要具備“化學(xué)工藝流程題”的解題思路和掌握一些解題方法技巧。

化工流程題是近年高考的熱點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)，結(jié)合近幾年的教學(xué)，談?wù)剮c(diǎn)解題策略。

首先，粗讀題干，挖掘圖示，看首尾即可，首即原料是什么，尾即產(chǎn)物是什么。因?yàn)橥辉希鞒滩煌a(chǎn)品也不同。流程中有一規(guī)律，即產(chǎn)品中所含金屬為主物質(zhì)，其余金屬在流程中均為雜質(zhì)，在流程中依次被除去。切記盡量不看流程，因?yàn)榱鞒淌请y點(diǎn)，我們先不去碰他，這是避開難點(diǎn)。什么時(shí)候看流程呢，當(dāng)你解小題時(shí)要用到流程時(shí)，再去看這一段的流程，也不是看整個(gè)流程，只是看片段。

其次，如果非要看流程，則化工流程題目在流程上一般分為3個(gè)過程：

原料處理階段的常見考點(diǎn)是：

①增加接觸面積，加快反應(yīng)速率；

②溶解：通常用酸溶，如用硫酸、鹽酸、濃硫酸等；

水浸：與水接觸反應(yīng)或溶解。

分離提純階段的常見步驟：

調(diào)pH值除雜：調(diào)pH值的目的就是除Fe■和Al■；

已知下列物質(zhì)開始沉淀和沉淀完全時(shí)的pH如下表所示：

從中可知，F(xiàn)e■沉淀完全時(shí)pH為3.7，Al■為5.6，其余離子沉淀完全時(shí)的pH均大于7，因此大多數(shù)流程中都有這一過程，除去鐵雜質(zhì)，首先溶解，接著加氧化劑把Fe■氧化成Fe■，再通過調(diào)節(jié)pH把Fe■除掉，從而除去鐵雜質(zhì)。

怎么判斷哪個(gè)步驟是調(diào)節(jié)pH，這很有技巧，因?yàn)檫@跟最終產(chǎn)物有關(guān)，所以調(diào)節(jié)pH這步流程選擇的是：含最終產(chǎn)物金屬的氧化物，難溶性堿，含最終產(chǎn)物金屬的碳酸鹽，以及氨水等。舉個(gè)例子，如果最終產(chǎn)物是CuSO■，那么調(diào)節(jié)pH選擇是CuO 或Cu（OH）■或CuCO■或氨水。

分離提純階段常見的題型有以下幾種：

第一類題目是問你操作步驟。操作步驟無非是物質(zhì)分離，有四種情況：一是難溶于水的固體跟水分離或晶體跟溶液分離采用過濾，二是兩種互不相溶的液體分離采用分液，三是幾種互溶的液體分離或是沸點(diǎn)相差較大的固體分離采用蒸餾或分餾，四是把溶液中的溶質(zhì)和溶劑分離采用蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶。

第二類題目是未知的化學(xué)方程式或離子方程式或電極反應(yīng)，這類題目考查很多，應(yīng)用三個(gè)守恒足可解題。但有一點(diǎn)需注意，解題先后順序一定不能變，首先第一步是電子守恒，接下來第二步電荷守恒，第三步原子守恒。

例1：（2011，福建高考，23（6））在某強(qiáng)酸性混合稀土溶液中加入H■O■，調(diào)節(jié)PH≈3，Ge■通過下列反應(yīng)形成Ge（OH）■沉淀得以分離。完成反應(yīng)的離子方程式：

□Ge■+□H■O■+□H■O=□Ge（OH）■↓+□？搖？搖？搖？搖 ？搖。

解題：第一步，電子守恒。Ge的化合價(jià)從+3價(jià)升高到+4價(jià)，升高一價(jià)，失一個(gè)電子，從左邊看，只能是H■O■中的-1價(jià)的O降價(jià)到-2價(jià)。因?yàn)橐粋€(gè)H■O■中有2個(gè)-1價(jià)的O，所以一個(gè)H■O■應(yīng)該降了2價(jià)，得2個(gè)電子，所以Ge■要2個(gè)，Ge■前面的系數(shù)為2，H■O■要一個(gè)，H■O■前面的系數(shù)為1。因此得到離子方程式為：2Ge■+H■O■+□H■O=2Ge（OH）■↓+□？搖？搖？搖 ？搖？搖。

第二步，電荷守恒。先看反應(yīng)物中的H■O■、H■O不帶電荷，2個(gè)Ge■帶6個(gè)單位正電荷，生成物中Ge（OH）■也不帶電荷，因此有兩種情況：其一，左邊加6個(gè)OH■，其二，左邊不加，右邊加6個(gè)H■。從此題題干中可知PH≈3，呈酸性，應(yīng)該是第二種情況。所以得到的離子方程式為：

2Ge■+H■O■+□H■O=2Ge（OH）■↓+6H■。

第三步，原子守恒。分析等號左右兩邊的各原子個(gè)數(shù)，得左邊應(yīng)是6個(gè)H■O。從而得到最終的離子方程式為：2Ge■+H■O■+6H■O=2Ge（OH）■↓+6H■。

總結(jié)：通過該題的解答，我們不難看出解題的關(guān)鍵是第二步電荷守恒，若第一步應(yīng)用電子守恒所得的離子方程式左、右兩邊已電荷守恒，則不需要再加離子。若第一步應(yīng)用電子守恒所得的離子方程式左、右兩邊電荷不守恒，則不是加H■就是加OH■。到底加哪種離子，跟環(huán)境相關(guān)，若為堿性介質(zhì)則加OH■，若為酸性介質(zhì)則加H■。

例2：工業(yè)上用電解鹽酸來生產(chǎn)高氯酸（HClO■），電解時(shí)用鉑做陽極，銀或銅做陰極，在陽極區(qū)可得到濃度達(dá)20%的高氯酸，寫出陽極的電極反應(yīng)式。

解題：第一步電子守恒，因?yàn)樵陉枠O區(qū)，發(fā)生失電子的反應(yīng)，所以應(yīng)該是Cl■變成ClO■■，Cl元素從-1價(jià)升高到+7價(jià)，升8價(jià)，失8個(gè)電子，因此得出的反應(yīng)式為：Cl■―8e■→ClO■■

接下來第二步電荷守恒，左邊Cl■是一個(gè)單位負(fù)電荷，―8e■是8個(gè)單位正電荷，所以左邊是7個(gè)單位正電荷，右邊ClO■■是一個(gè)單位負(fù)電荷，所以有兩種選擇，要么左邊加8個(gè)OH■，要么右邊加8個(gè)H■，根據(jù)題意原來是鹽酸溶液，所以應(yīng)該加H■，因此得到反應(yīng)式為：Cl■―8e■→ClO■■+8H■

第三步原子守恒，根據(jù)H原子守恒，左邊加4H■O，不能加H■，因?yàn)榧親■，電子不守恒，也不能加氫離子，因?yàn)榧託潆x子，電荷不守恒，所以只能加H■O。由此不難看出，運(yùn)用三個(gè)守恒的順序不能顛倒。最后用O來檢驗(yàn)是否守恒，如果O原子守恒就正確，否則就錯(cuò)誤，從而得出最終陽極反應(yīng)式為：Cl■+4H■O―8e■=ClO■■+8H■。

綜上所述，運(yùn)用3個(gè)守恒的關(guān)鍵是先后順序問題，也就是說第一步一定是用電子守恒，確定發(fā)生電子得失的化學(xué)式前的系數(shù)，第二步一定是電荷守恒，有時(shí)候還要考慮到底要不要加H■或OH■加哪邊，是由環(huán)境決定的，酸性環(huán)境加H■，堿性環(huán)境加OH■。最后一步是原子守恒，原子守恒一般是補(bǔ)水，從而避免考慮多數(shù)題目中會(huì)出現(xiàn)的“加H■O加哪邊”這個(gè)難點(diǎn)。而且H■O不要先寫，因?yàn)樽笥覂蛇叺腍■O有可能消去，因此H■O一定要放在最后寫。

第三類題型問你濾液成分或可循環(huán)使用的物質(zhì)是誰，那么答案肯定在流程中，就是在流程中加入的物質(zhì)中找，流程的主要過程是一個(gè)除雜的過程，是一個(gè)把雜質(zhì)變成沉淀或氣體的過程，也就是說在這個(gè)過程中沒變成沉淀或氣體的離子就是濾液的主要成分。

第四類題型是有關(guān)Ksp的計(jì)算，Ksp的計(jì)算的核心是你要把已知的Ksp的公式列出，然后帶入計(jì)算。

例3：（2011福建24）四氯化鈦（TiCl■）是制取航天航空工業(yè)材料——鈦合金的重要原料，由鈦鐵礦（主要成分是FeTiO■）制備TiCl■等產(chǎn)品的一種工藝流程示意如下：

回答下列問題：

（1）往①中加入鐵屑至浸出液顯紫色，此時(shí)溶液仍呈強(qiáng)酸性。該過程中有如下反應(yīng)發(fā)生：

2Fe■+Fe=3Fe■

2TiO■（無色）+Fe+4H■=2Ti■（紫色）+Fe■+2H■O

Ti■（紫色）+Fe■+H■O=TiO■（無色）+Fe■+2H■

加入鐵屑的作用是？搖？搖 ？搖？搖？搖。

（2）在②→③工藝中需要控制條件以形成TiO■·nH■O溶膠，該分散質(zhì)顆粒直徑大小在？搖？搖 ？搖？搖？搖范圍。

（3）若把③中制得的固體TiO■·nH■O用酸清洗除去其中的Fe（OH）■雜質(zhì)，還可制得鈦白粉。已知25℃時(shí)，K■=2.79×10■，該溫度下反應(yīng)Fe（OH）■+3H■？葑Fe■+H■O的平衡常數(shù)K=？搖？搖？搖？搖？搖。

（4）已知：TiO■（s）+2Cl■（g）=TiCl■（l）+O■（g）？搖？搖△H=+140KJ·mol■

2C（s）+O■（g）=2CO（g）？搖？搖△H=—221KJ·mol■

寫出④中TiO■和焦炭、氯氣反應(yīng)生成液態(tài)TiCl■和CO氣體的熱化學(xué)方程式：？搖？搖？搖 ？搖？搖。

（5）上述工藝具有成本低、可用低品位礦物為原料等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)綠色化學(xué)理念，該工藝流程中存在的不足之處是？搖 ？搖？搖？搖？搖（只要求寫出一項(xiàng)）。

（6）依據(jù)右表信息，要精制含少量SiCl■雜質(zhì)的TiCl■，可采用？搖？搖 ？搖？搖？搖方法。

我們來解第（3）小題：K■=c（Fe■）×c■（OH■）=2.79×10■，25℃時(shí)，c（H■）×c（OH■）=Kw=1×10■；反應(yīng)Fe（OH）■+3H■？葑Fe■+H■O的平衡常數(shù)K=■=■=■=2.79×10■。由上可知，只要能代入已知的K■的表達(dá)式，那么就可解題了。

第五類題型是有關(guān)離子的檢驗(yàn)，幾種常見的離子，如Fe■，F(xiàn)e■，SO■■的檢驗(yàn)要特別關(guān)注。

例4：（2012高考題組合改編）工業(yè)上由黃銅礦（主要成分為CuFeS■）冶煉銅的主要流程如下：

（1）步驟Ⅰ是在反射爐中進(jìn)行的。把黃銅礦和石英砂混合加熱到1000℃左右，黃銅礦與空氣反應(yīng)生成Cu和Fe的低價(jià)硫化物，且部分Fe的硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢r(jià)氧化物。該過程中兩個(gè)主要反應(yīng)的化學(xué)方程式分別是？搖？搖？搖？搖 ？搖。

（2）步驟Ⅱ是在轉(zhuǎn)爐中發(fā)生的。冰銅含Cu量為20%～50%。轉(zhuǎn)爐中，將冰銅加熔劑（石英砂），在1200℃左右吹入空氣進(jìn)行吹煉。冰銅中的Cu■S被氧化為Cu■O。生成的Cu■O與Cu■S反應(yīng)，生成含Cu量約為98.5%的泡銅，該過程發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式分別是？搖？搖 ？搖？搖？搖、？搖？搖 ？搖？搖？搖。氣體A中的大氣污染物可選用下列試劑中的？搖？搖 ？搖？搖？搖吸收（填字母）。

a.濃硫酸 b.稀硝酸

c.NaOH溶液 d.氨水

（3）步驟Ⅲ是由泡銅冶煉粗銅的反應(yīng)，反應(yīng)方程式為？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖。

（4）用稀硝酸浸泡熔渣B，取少量所得溶液，滴加KSCN溶液后呈血紅色，說明溶液中存在？搖？搖 ？搖？搖？搖（填離子符號），檢驗(yàn)溶液中還存在Fe■的方法是？搖？搖 ？搖？搖？搖（注明試劑、現(xiàn)象）。

答案：（1）2CuFeS■+O■高溫，Cu■S+2FeS+SO■

2FeS+3O■高溫，2FeO+2SO■

（2）2Cu■S+3O■高溫，2Cu■O+2SO■

2Cu■O+Cu■S高溫，6Cu+SO■↑c(diǎn)d

（3）3Cu■O+2Al高溫，Al■O■+6Cu

（4）Fe■可取適量酸性KMnO■溶液置于試管中，滴入幾滴該溶液，若酸性KMnO■溶液退色或顏色變淺，則說明該溶液中含有Fe■。

解析：（1）根據(jù)問題（1）信息中的反應(yīng)物和生成物及氧化還原反應(yīng)的規(guī)律可寫出兩個(gè)化學(xué)方程式。

（2）氣體A中含有SO■，SO■是酸性氧化物，選用堿性溶液吸收。

（3）由泡銅制取粗銅，是Cu■O和Al發(fā)生氧化還原反應(yīng)，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的配平方法進(jìn)行配平可得化學(xué)反應(yīng)方程式為3Cu■O+2Al高溫，Al■O■+6Cu。

（4）向溶液中滴加KSCN溶液，溶液呈血紅色，可推知溶液中一定含有Fe■；要檢驗(yàn)溶液中還含有Fe■，可利用其還原性，具體操作：取適量酸性KMnO■溶液置于試管中，滴入幾滴該溶液，若酸性KMnO■溶液退色或顏色變淺，說明該溶液中含有Fe■。

總結(jié)：工藝流程專題解題步驟：（1）瀏覽流程只看頭尾，明確目的，解決“干什么”。（2）馬上解題，回頭再細(xì)看要用到哪步流程。（3）啟用儲備的解題類型解決問題。以上內(nèi)容只是筆者對化工工藝流程題的一些粗淺認(rèn)知，僅供參考。