化工流程題定量計算歸類建模解析

張連奇 劉 宇

(四川省瀘州市瀘縣第二中學 646106)

化學計算是理科學科各級各類考試的重要考查點.初、高中化學學科學習的一個重要差異就是化學實驗的定性分析與定量探究的轉變，高中試題的不同題型中均可能涉及定量計算.化工流程題以化學工業生產流程圖進行呈現，利用物質間轉變和化學實驗基本操作兩條主線進行知識與問題的呈現，不論物質間的轉變還是化學實驗基本操作過程，均涉及相應化學原理，即可借助某些量之間的變化設置定量計算，這已成為該類試題的一大熱點和難點.文章通過化工流程題定量計算的歸類解析為例進行說明，以期引起學生的重視.

一、借助難溶電解質Ksp計算溶液pH

課標要求“學生能進行溶液pH的計算”，同時“能選擇實例說明溶液pH的調控在工農業生產和科學研究中的重要作用”，在學習完Ksp的相關計算后，學生還需結合難溶電解質的溶解度常數進行溶液中包括c(H+)、c(OH-)的計算，據此可計算出對應溶液的pH.

例1(2019年山西臨汾第一中學校高二期中，節選)鎵是制作高性能半導體的重要原料.工業上常從鋅礦冶煉的廢渣中回收鎵.已知某鋅礦渣主要含Zn、Si、Pb、Fe、Ga的氧化物，利用該礦渣制鎵的工藝流程如圖1所示.

圖1

已知：①鎵在元素周期表中位于第四周期第ⅢA族，化學性質與鋁相似.

②lg2=0.3 lg3=0.48.

③部分物質的Ksp見表1.

表1

室溫條件下，若浸出液中各陽離子的濃度均為0.01mo/L，當溶液中某種離子濃度小于1.0×10-5mol/L時即認為該離子已完全除去，則pH應調節的范圍為____.

答案：5.48

原理分析某鋅礦渣主要含Zn、Si、Pb、Fe、Ga的氧化物，加入硫酸，經過濾，得到濾渣Ⅰ為SiO2、PbSO4，浸出液含有Zn、Fe、Ga的離子，加入過氧化氫，可氧化亞鐵離子生成鐵離子，調節溶液pH生成Fe(OH)3、Ga(OH)3沉淀，濾液含有硫酸鋅，經蒸發濃縮、冷卻結晶可得到硫酸鋅晶體，濾渣Ⅱ含有Fe(OH)3、Ga(OH)3，加入過量的氫氧化鈉，可生成NaGaO2溶液，過濾得到有Fe(OH)3，分解可生成氧化鐵，電解NaGaO2溶液，可制備Ga，以此解答該題.

關鍵點撥通過調節電解質溶液pH的范圍以除盡含有某離子溶液中的雜質離子，需通過被提純離子和雜質離子的Ksp關系進行pH的計算.為除盡雜質離子(即需使雜質離子濃度低于1.0×10-5mol/L)同時不讓被提純離子沉淀，兩個計算所得溶液pH均不能取等.

二、運用滴定原理計算物質純度并進行誤差分析

滴定是一種化學實驗操作也是一種定量分析的手段，包括酸堿中和滴定、氧化還原滴定和沉淀滴定等等；主要通過兩種溶液的定量反應(中和反應、氧化還原反應和沉淀反應等等)來確定某種溶質的含量.并通過特定的化學反應準確計算物質的濃度(或純度)，進一步結合實際進行誤差分析.

例2 (2020·廣東惠州高三三調，節選)KMnO4在實驗室、生活、科學研究、工業生產中有廣泛的應用.已知一種制備KMnO4的實驗流程(如圖2所示)、原理及相關數據如下：

圖2

原理：反應Ⅰ：

反應Ⅱ：

(墨綠色) (紫紅色)

已知：25℃物質的溶解度g/100g水，見表2.

表2

草酸鈉滴定法分析高錳酸鉀純度步驟如下：

(1)稱取1.5800 g高錳酸鉀產品，配成100 mL溶液

(2)準確稱取三份0.5360 g已烘干的Na2C2O4，置于三個不同的潔凈錐形瓶中，分別加入少量蒸餾水使其溶解，再加入少量硫酸酸化；

(3)錐形瓶中溶液加熱到75～80℃，趁熱用(1)中配制的高錳酸鉀溶液滴定至終點.

記錄實驗數據見表3.

表3

答案：80.00% 偏高

原理分析結合流程圖和原理知，KClO3與KOH在加熱熔融條件下分批加入MnO2，反應生成K2MnO4、KCl熔融物，冷卻水浸泡形成K2MnO4、KCl溶液，通CO2，墨綠色K2MnO4溶液轉化成KMnO4溶液，結合25℃物質(K2CO3、KMnO4)的溶解度關系，加熱，趁熱過濾出KMnO4，進一步轉化得到KMnO4固體.

解析設參加反應的KMnO4的物質的量為x：

2mol 5mol

則KMnO4的純度為

數據處理對于計算類的實驗，均會存在誤差，為了將誤差降低到最低，采用多次(一般3次以上)實驗就算平均值，數據的處理也就是幾次的平均值，但如果有一次的實驗數據偏差過大，應該先棄去偏差較大的一組數據再就平均值.

三、結合物質轉化關系計算物質質量分數并進行誤差分析

化工流程題的重要主線之一是元素化合物的轉變，在這些轉變過程中，物質遵循質量守恒關系.但由于物質轉變過程中，可能涉及到物質的分離和提純等化學實驗基本操作，導致某些元素(物質)的質量損失，因此涉及物質的質量分數計算，同時依據計算原理分析可能的誤差討論.

例3 (2020·全國高三專題練習，節選)二氧化鈦是制取航天航空工業鈦合金的重要原料．用鈦鐵礦[主要成分是鈦酸亞鐵(FeTiO3)，含少量Fe2O3、MgO、SiO2等雜質]作原料生產金屬鈦和綠礬(FeSO4·7H2O)等產品的一種工藝流程如圖3所示.已知：Ti有兩種價態，在水溶液中主要以TiO2+(無色)、Ti3+(紫色)形式存在.

圖3

請回答下列問題：

假如FeTiO3中的鐵元素占礦物中鐵元素總量的a%；某次生產中，向濾液1中加入純鐵粉為bkg，得到綠礬晶體的質量為ckg，整個過程中鐵元素的總利用率為80%，Ti元素的轉化率為90%，其他損失忽略不計.按上述流程，得到TiO2____kg(用數字和字母表示)

已知：M(FeSO4·7H2O)=278g·mol-1

答案：(3.247ac-12.86ab)×10-3

流程分析鈦鐵礦(主要成分是FeTiO3，含Fe2O3、MgO、SiO2等雜質)加入硫酸加熱反應得到固體熔塊，加入水水浸，得到浸取液中加入鐵屑將Fe3+還原為Fe2+，過濾得到X晶體為綠礬(FeSO4·7H2O)晶體和濾液TiOSO4，加入水反應生成H2TiO3，高溫煅燒得到二氧化鈦.

設鐵元素總質量為xkg，則

Fe - FeSO4·7H2O

56kg 278kg

xkg×80%ckg

Ti - TiO2

48kg 80kg

解得：y=(3.247ac-12.86ab)×10-3kg.

思路探究求TiO2的質量，需先求出Ti的質量.而Ti只存在于FeTiO3中，所以問題轉化為求FeTiO3中Fe的質量.利用綠礬的質量，可求出Fe的總量，去掉加入的鐵粉質量，便可得到礦石中Fe的總量.利用化學式FeTiO3，便可建立Fe、Ti的質量關系，從而求出Ti的質量.

化工流程題涉及兩條主線均是關于元素化合物的轉變(化學反應的發生)，在化學反應關系式的基礎上，時常會設計諸如質量、物質的量、轉化率、質量分數、純度等化學計算，也會依據反應原理設計誤差分析等等，難度相對較大.熟悉該類試題的命題原理，掌握解題的一般方法和思路，將快速、有序的解答試題.