無機化工流程問題解題模型探究

李雷

摘 要：本文以2018年高考全國卷中化學學科的無機化工流程必考題的工序背景作為研究點，提出了解決該問題的三步法，即礦石的處理、除雜過程、產品的獲得及提純。并對三步法中常出現的問題給出了解決方案。

關鍵詞：無機化工流程，溶液，除雜

高中化學高考考試大綱在2017年做了較大修改，選做題由3選1變成了2選1，取消了原有選修二《化學與技術》的考查。原有選修二的內容與無機化學基礎原理和元素化學內容相融合，以無機化工流程的形式加以考查。縱觀全國卷I自2011年至2018年的高考化學真題，只有2012年和2014年的三道必考題部分未考查無機化工流程問題，因此無機化工流程問題必須引起高三學生復習的高度重視。

2018年三套全國卷中均涉及以無機化工流程為背景的必考題：

2018年全國卷I：利用煙道氣中的SO2生產Na2S2O5的工藝為：

2018年全國卷II：我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家，一種以閃鋅礦（ZnS，含有少量SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質）為原料制備金屬鋅的流程如圖所示：

2018年全國卷III：利用“KClO3氧化法”制備KIO3工藝流程如下圖所示：

全國卷I以煙道煤氣中SO2制備焦亞硫酸鈉為背景，全國卷II以閃鋅礦制備單質鋅為背景，全國卷III以“KClO3氧化法”制備KIO3為背景，結合高中化學基礎知識設置問題。其中全國卷II為完整的工業流程及問題考查，全國卷I和III以無機化工流程為背景創設問題并與其它知識考題相結合。全國卷I考查了方程式的書寫，pH對反應的影響等內容。全國卷III考查了氣體逸出方法，方程式的書寫及溶液成分的判斷內容。全國II卷則綜合考查了學生化學元素化學的基本知識、電解的應用、方程式的書寫等內容。

以全國卷II為例看無機化工流程題的解法：做好該題關鍵是理解每個工序的目的，可以看出焙燒及溶浸工序為對礦石的處理過程，氧氣氧化過程是將Fe2+氧化成Fe3+，加入ZnO的目的為調高溶液pH，加入金屬Zn是為了還原溶液中的Cd2+，這兩道工序為溶液的除雜過程，最后電解ZnSO4溶液得單質鋅，流程結束。該題非常好的體現了立足基礎、注重綜合、關注知識體系以及培養民族精神的化學學科素養。

通過以上高考真題可以看到，無機化工流程問題的試題情境大致分為三大部分，即礦石的處理、除雜過程、產品的獲得及提純，小結如下：

一、礦石的處理

礦石以金屬氧化物及硅酸鹽、二氧化硅等成分為主，首先應將固體礦石處理成溶液，則涉及浸取的問題。

浸取的過程以酸浸為主，因酸能與絕大多數金屬氧化物反應達到礦石溶解的目的，酸浸過程主要不溶物為二氧化硅。同時也可以堿浸，與堿能反應的為兩性的金屬氧化物及二氧化硅。甚至可以出現先堿后酸的過程，依據所給信息及元素性質的知識儲備也可推導出哪種物質溶解。在浸取過程后會跟著過濾的操作，將難溶物和浸取液體系分離。

礦石的處理中常見問題：

1.過濾所需的玻璃儀器：即燒杯、漏斗、玻璃棒。

2.過濾后濾渣的成分：由于礦石成分復雜不可能100%溶解，濾渣中會含有未溶解的礦石;酸浸過程濾渣主要為SiO2;堿浸過程濾渣主要為不與堿反應的金屬氧化物;先堿后酸過程濾渣主要為H2SiO3（SiO2先溶解后析出）。

3.提高浸取率的方法：一般為將礦石粉碎、加熱、提高酸浸或堿浸過程中酸或堿的濃度、充分攪拌等（簡單可理解為溶的快即溶的多，所以提高溶解反應速率的方法即提高浸取率的方法）。

二、除雜過程

為了得到目標產品，必須對浸取液中所含雜質進行除雜處理，常見雜質為金屬陽離子。如Fe3+、Fe2+、Al3+等。不同金屬陽離子開始沉淀和完全沉淀的pH如下表：

金屬離子 Fe3+ Al3+ Fe2+ Zn2+ Co2+ Mg2+

開始沉淀 2.2 4.1 7.5 6.5 7.2 9.6

完全沉淀 3.5 5.4 9.5 8.5 9.2 11.6

由上表可知：可通過調高pH的方法除去金屬陽離子，但Fe2+、Zn2+、Mg2+、Co2+完全除去的pH相對較高，可能會沉淀目標產物中的金屬陽離子，因此不能將溶液pH調得太高。

Fe2+的除雜一般采取先氧化后調pH的方法與Fe3+和Al3+一并除去，所以應加入一種氧化劑將Fe2+氧化成Fe3+，雙氧水是一個很好的選擇，則2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O的離子方程式尤為重要。

Mg2+、Ca2+、Li+的除雜一般采取加入氟鹽（NH4F）的方法使其以難溶性MFn的形式沉淀。如果為堿浸過程，則SiO32-為必須除去的雜質離子，也應采取調pH的方法除去，但該體系應調低pH，利用2H++SiO32-=H2SiO3↓的方法除去。調完pH后一般跟隨過濾的操作，將產生的沉淀過濾除去，否則可能影響下一步的除雜過程，比如說產生的Al（OH）3沉淀，再調高pH可使Al（OH）3溶解重新產生AlO2-雜質離子。

除雜過程常見問題：

（1）pH調節范圍：將雜質離子完全沉淀時的pH與目標產物中的金屬離子開始沉淀的pH之間。例：目標產物為CoSO4，則除去Fe2+、Fe3+、Al3+的方法為先加氧化劑，后調pH的范圍為5.4～7.2。

（2）調pH所需物質：如果想調高pH，只要能與H+反應均能達到目的，但為了不引入新的雜質，一般用目標產物中金屬陽離子對應的氧化物、堿及碳酸鹽。

三、產品的獲得及提純過程

一般采用三種方法獲得產品：

①溶液中得含溶質晶體，方法為蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾。

②加入另一種反應物以復分解方法得沉淀，過濾。

③通過電解、置換等方法得某種單質。

其中以第一種方法考查幾率較大。過濾后得到的是粗產品，要想的到純度相對較大的產品應加上提純過程，即洗滌和干燥。

產品的獲得過程常考題型：

（1）得到溶質較純晶體的方法：蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥。

（2）洗滌的標準操作：向漏斗內注水至沒過固體表面，待水自然流下，重復2～3次。

（3）判斷晶體是否洗凈的方法：取最后一次洗滌液，加，若無現象，則洗凈。即檢驗某種離子的存在，檢驗過程要求被檢驗離子不能是目標產品中包含的離子（沉淀溶解平衡的影響），并且現象應明顯一般為沉淀法。答題技巧：被檢驗離子一般為酸浸過程中所用酸的陰離子，一般為Cl-或SO42-。

提醒同學注意對題干所給信息的運用，一般所給信息為某個題目的答題要點。一般來說無機化工流程題還會涉及1～2個方程式的書寫，提示在書寫方程式時一定要注意體系的酸堿性環境。

綜上，建議無機化工流程問題的解題步驟如下：首先結合題干所給信息去理解每個工序的目的，可通過本文中提到的礦石的處理、除雜過程、產品的獲得及提純三步法加以分析，特別提醒部分工序也需結合下面問題中的信息。其次整理流程中涉及的一些無機化學及元素化學基礎知識，與流程中的工序相結合構建流程過程的知識體系。最后解答習題。即：