例析化學工藝流程題的常規模式及解法

◇ 北京 董廣海

化學工藝流程題是高考化學學科常考的題型,這種題型背景真實,常常涉及工業生產、“三廢”處理、新能源開發等;涉及物質性質及其轉化、化學反應原理、化學實驗、化學計算、環境保護等諸多內容.

1 化學工藝流程題的結構

化學工藝流程題由題干、流程和設問三部分組成.題干會指出工藝的目的;流程一般分為三個環節:原料預處理、核心反應和分離提純獲取產品等,其承載著豐富的信息,如給出所用試劑、反應條件(或操作與設備)等,體現了核心元素的轉化;而設問則是要求考生解決問題,將考生帶入一個真實的化工世界.

2 化學工藝流程題中的常見術語

1)研磨和霧化能增大反應物的接觸面積.

2)使用催化劑和形成原電池往往是為了加快化學反應速率.

3)酸浸:在酸性溶液中使某些物質溶解進入溶液,不溶物通過過濾除去.

4)浸取:向固體中加入適當溶劑或溶液,使其中可溶性的物質溶解,包括水浸取、酸溶、堿溶、醇溶等.

5)灼燒(或煅燒):使某些固體物質在高溫下氧化、分解或發生特定反應等.

6)控制溫度:控制溫度分為升溫和降溫,升溫有一般加熱和特殊加熱兩種方式,水浴、油浴或沙浴屬于特殊加熱方式,這種加熱方式除了方便控制溫度外,還有使待加熱儀器設備受熱均勻的優點.降溫則通過冰水混合物(或冰浴)實現.目的不同所采用的操作也不相同.

①加熱一般是為了加快反應速率,促進平衡向某個方向移動,控制副反應的進行,控制固體的溶解與結晶,使催化劑達到最大活性等.

② 加熱煮沸(或升溫):一般是促進水解,聚沉后利于過濾分離;或除去溶解在溶液中的氣體等.

7)調控溶液的p H:調控溶液的p H即溶液的酸堿性,有時是為了使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀析出(或抑制水解),有時是為某些反應的發生(如特定的氧化還原反應)創造適宜環境.

3 一些操作在分離提純獲取產品中的作用

1)蒸發濃縮:蒸發除去部分溶劑,提高溶液的濃度.

2)蒸發結晶:蒸發溶劑,使溶液由不飽和變為飽和,繼續蒸發,過剩的溶質就會以晶體析出.蒸發結晶適用于溶解度隨溫度變化不大的溶質,如Na Cl.

3)降溫結晶:冷卻熱飽和溶液(或濃度高的溶液)時,因溶解度下降,溶質會結晶析出.降溫結晶適用于溶解度隨溫度變化較大且隨溫度降低溶解度降低的溶質,比如Na NO3、KNO3等.

4)趁熱過濾:一般是為了減少因降溫而析出的溶質的量;或防止某些其他物質低溫時析出,以提高產品純度.

5)洗滌晶體.

①水洗:通常是為了除去晶體表面的水溶性雜質.

②醇洗:通常是為了除去晶體表面的水分或特定雜質,降低晶體的溶解度、減少損耗等.

6)在特定的氣體中蒸發結晶,通常是為了抑制水解或防止物質在空氣中氧化.

4 解答化學工藝流程題的思路

1)首先要認真閱讀題目,了解題目的工藝目的、所提供的信息和要解答的問題.

2)辨別“原料預處理、核心反應、分離提純獲取產品”等三環節,通過“瞻前顧后”認清物質之間的轉化尤其是核心反應,了解原料與處理和分離提純獲取產品所使用的工藝.

3)明確產品純度(或含量)測定的方法與原理.

4)結合題設,仔細推敲,寫出答案.

例磷精礦濕法制備磷酸的一種工藝流程如圖1所示.

圖1

已知:磷精礦主要成分為Ca5(PO4)3(OH),還含有Ca5(PO4)3F和有機碳等.

溶解度:Ca5(PO4)3(OH)＜CaSO4·0.5 H2O.

(1)上述流程中能加快反應速率的措施有______.

(2)磷精礦粉酸浸時發生反應:

①該反應體現出酸性關系:H3PO4______H2SO4(填“＞”或“＜”).

② 結合元素周期律解釋①中結論:P和S電子層數相同,________.

(3)酸浸時,磷精礦中Ca5(PO4)3F所含氟元素轉化為HF,并進一步轉化為Si F4除去.寫出生成HF的化學方程式:________.

(4)H2O2將粗磷酸中的有機碳氧化為CO2脫除,同時自身也會發生分解.相同投料比、相同反應時間,不同溫度下的有機碳脫除率如圖2所示.80℃后有機碳脫除率變化的原因:_______.

圖2

(5)脫硫時,Ca CO3稍過量,充分反應后仍有殘留,原因是________;加入BaCO3可進一步提高硫的脫除率,其離子方程式為________.

(6)取ag所得精制磷酸,加適量水稀釋,用百里香酚酞作指示劑,用bmol·L－1Na OH溶液滴定至終點時生成Na2HPO4,消耗Na OH溶液cmL.精制磷酸中H3PO4的質量分數是________.

【解題思路】1)通過閱讀題目,明確該題是用磷精礦濕法制備磷酸的過程,題目除了流程圖的信息外,還在其下方列出了磷精礦的成分以及部分物質的溶解度信息,在第(2)問提供了磷精礦被酸浸時的反應信息,第(3)問中給了氟磷酸鈣中氟轉化為HF并進一步轉化為Si F4的信息,第(4)問給了H2O2的作用及易分解的信息,第(5)問中給了使用碳酸鈣脫硫的信息,第(6)問中給了測定磷酸質量分數的有關信息.

2)辨別出流程圖的“三個環節”(如圖3).

圖3

①原料預處理環節采用研磨,目的是增大接觸面積,加快化學反應速率.

②核心反應環節的加熱操作,目的是通過升高溫度,加快化學反應速率;酸浸的目的是發生核心反應:

上述反應的發生符合強酸制弱酸的規律,由于P元素和S元素的電子層數相同,最外層電子數P少于S,原子半徑P大于S,得電子能力P弱于S,非金屬性P弱于S,最高價氧化物對應水化物的酸性H3PO4＜H2SO4;

③ 分離提純獲取產品環節,H2O2可以將粗磷酸中的有機碳氧化為CO2脫除,但H2O2也可以自身分解以前,隨著溫度的升高化學反應速率加快起決定作用,有機碳的脫除率逐漸升高;80℃以后,隨著溫度的升高H2O2的分解速率加快,c(H2O2)降低,反應速率減慢起決定作用,有機碳的脫除率下降.

Ca CO3脫硫的原理是:

BaCO3脫硫的原理是:

由于Ksp(BaSO4)＜Ksp(CaSO4),即CaSO4的溶解度大于BaSO4的溶解度,故過量的Ca CO3脫硫時,仍然有殘留,Ba CO3對硫的脫除率更高.

3)測定磷酸含量時用的是酸堿中和滴定法,其原理為:

精制磷酸中 H3PO4的質量分數是.

在一些復雜體系中,化學反應可能不是單一的,影響化學反應的條件可能是多樣的,解題時要善于找到主要的化學反應以及影響化學反應速率與平衡的主要因素.速率問題通常與時間、反應過程相關,轉化率通常與速率和平衡相關.可逆反應平衡前后都有轉化率,不可逆反應在反應沒有進行完全的某一時間內也存在轉化率.要注意在復雜體系不同的時間段,影響轉化率的主要因素可能不同.

化學工藝流程題的解答,能考查考生接受、吸收和整合化學信息以及分析和解答化學問題的能力,能考查“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”以及“科學態度與社會責任”等化學核心素養的發展水平.掌握化學工藝流程題的解法,快速準確地解答化學工藝流程題,對考生在高考中取得優異成績具有現實意義.