回收、提純類工藝流程題思路詳解

李康　孫長超

化學(xué)工藝流程題取材于真實的化工生產(chǎn)，重點考查元素化學(xué)和實驗原理相關(guān)知識在工業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，要求考生解題時能從題干和流程圖中提取有效證據(jù)進(jìn)行推理，往往還涉及計算。該題型能很好地體現(xiàn)化學(xué)的實用性和創(chuàng)造性，落實新課標(biāo)對學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的考查，是高考的主流題型。

化學(xué)工藝流程題考查的元素化學(xué)和實驗原理這兩部分內(nèi)容本身比較零散，考查知識的綜合性很強(qiáng)，對于基礎(chǔ)不扎實的學(xué)生而言尤為困擾。一般來說，流程題命題類型有以下兩種：回收、提純類工藝流程題和物質(zhì)制備類工藝流程題。本期，筆者通過分段分析和答題技巧總結(jié)的方式，來解析回收、提純類工藝流程題，幫助同學(xué)們抓住關(guān)鍵、準(zhǔn)確答題。

【例】（2021·全國高考乙卷理綜）磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節(jié)約和充分利用資源，通過如下工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH見下表。

金屬離子 Fe3+ Al3+ Mg2+ Ca2+

開始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4

沉淀完全（c=1.0×10-5mol·L-1）的pH 3.2 4.7 11.1 13.8

回答下列問題：

（1）“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不發(fā)生反應(yīng)，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽，寫出Al2O3轉(zhuǎn)化為NH4Al（SO4）2的化學(xué)方程式? ? 。

（2）“水浸”后“濾液”的pH約為2.0，在“分步沉淀”時用氨水逐步調(diào)節(jié)pH至11.6，依次析出的金屬離子是? 。

（3）“母液①”中Mg2+濃度為? ? ?mol·L-1。

（4）“水浸渣”在160℃“酸溶”最適合的酸是 。“酸溶渣”的成分是? ? ? ? ? ? 、? 。

（5）“酸溶”后，將溶液適當(dāng)稀釋并加熱，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，該反應(yīng)的離子方程式是? ? 。

（6）將“母液①”和“母液②”混合，吸收尾氣，經(jīng)處理得_______，循環(huán)利用。

【答案】

（1）Al2O3+4（MH4）2SO4 2NH4Al（SO4）2+6NH3↑+3H2O↑

（2）Fe3+、Al3+、Mg2+

（3）1.0×10-6

（4）硫酸 SiO2 CaSO4

（5）TiO2++（x+1）H2O? TiO2·xH2O↓+2H+

（6）（NH4）2SO4

第一步，從題干中提取信息，明確化工流程“有什么”和“要什么”

“有什么”即待回收的原料中含有的物質(zhì)，“要什么”即化工流程最終想要回收的物質(zhì)，其往往是單質(zhì)或化合物，根據(jù)題目信息進(jìn)行確定。本題從題干可知是回收類化工流程，高鈦爐渣中有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3等物質(zhì)，最終要回收的是TiO2·xH2O、Al（OH）3、Mg（OH）2等物質(zhì)。

第二步，確定要除的雜質(zhì)元素“是什么”

“有什么”減去“要什么”，即化工流程中需要除去的元素，例如本題需要除去的元素是鈣、鐵和硅。常見元素的除去方法，同學(xué)們在做化工流程題時要注重積累記憶，多數(shù)是固定的，例如：鈣元素是鈣離子結(jié)合硫酸根或者氟離子變成沉淀過濾除去;鐵元素是含鐵物質(zhì)→酸浸成Fe2+、Fe3+ 混合液→加氧化劑變成Fe3+→調(diào)節(jié)pH生成沉淀過濾除去;硅元素是硅酸鹽加酸變成硅酸沉淀除去（大多數(shù)是SiO2經(jīng)酸浸后過濾除去）;鋁元素是含鋁物質(zhì)→酸浸成Al3+→通氨氣生成沉淀，或者含鋁物質(zhì)→堿浸成AlO2-→通CO2生成沉淀過濾除去。熟記之后，同學(xué)們自己在腦海中就能構(gòu)建出簡單化工除雜流程的模型，然后再結(jié)合題干流程對比分析，整個流程就完全梳理出來了。

第三步，確定要除的雜質(zhì)元素后“如何除”

本步是化工流程的解題關(guān)鍵和難點，推導(dǎo)時可以將流程拆分成三段進(jìn)行分析（原料預(yù)處理→除雜分離→產(chǎn)品收集）。

原料預(yù)處理：原料最初一般會進(jìn)行酸浸（除去不溶于酸的物質(zhì)，例如SiO2）、堿浸（除去不溶于堿的物質(zhì)，例如多數(shù)金屬氧化物，并溶解SiO2和兩性氧化物）、水浸（與水反應(yīng)或溶解）、灼燒（去除固體表面油污或氧化分解）、粉碎（增大接觸面積，提高浸取率）等預(yù)處理，對原料進(jìn)行初步處理。

除雜分離：核心思想是將雜質(zhì)元素變成沉淀、氣體或者濾液除去。調(diào)節(jié)pH、加沉淀劑、加熱、降溫、萃取是最常見的除雜方法，相關(guān)典型例子同學(xué)們要進(jìn)行記憶理解。

① 焙燒：閱讀題目第一問即可獲取信息。

② 水浸：考查學(xué)生對物質(zhì)溶解性表和常見物質(zhì)溶解性的記憶。TiO2、SiO2不溶于水，微溶的CaSO4部分溶于水，F(xiàn)e2（SO4）3、MgSO4和NH4Al（SO4）2溶于水，過濾得到含有TiO2、SiO2、CaSO4的水浸渣和含有Fe2（SO4）3、MgSO4、NH4Al（SO4）2和CaSO4的濾液。

③ 分步沉淀：即加沉淀劑，然后經(jīng)過濾固液分離達(dá)到除雜目的。含有Fe2（SO4）3、MgSO4、NH4Al（SO4）2和CaSO4的濾液加入氨水，依據(jù)表格信息可知鐵離子、鋁離子和鎂離子依次沉淀;過程中往往會夾帶溶度積相關(guān)計算，離子完全沉淀的條件是解題關(guān)鍵，例如本題由鎂離子完全沉淀（c=1×10-5 mol·L-1）時，溶液pH為11.1可知，氫氧化鎂的溶度積為1×10-5×（1×10-2.9）2=1×10—10.8;當(dāng)溶液pH為11.6時，溶液中鎂離子的濃度為=1×10-6 mol·L-1。

④ 酸溶：酸溶考查的是元素化合物的知識，同學(xué)們只要熟練掌握化學(xué)方程式，弄清發(fā)生的反應(yīng)即可。有的同學(xué)還容易忽略一個細(xì)節(jié)，即物質(zhì)除雜過程中不能引入新的雜質(zhì)。

⑤ 水解：考查重點一般為改變溫度影響物質(zhì)溶解性或水解生成沉淀。

產(chǎn)品收集：產(chǎn)品收集的方法很常見，雖然各類資料整理歸納很多，但是有的同學(xué)只是知道概念但沒有理解透徹，導(dǎo)致回答時感覺好像知道答案卻頻頻出錯。筆者建議同學(xué)們弄清以下幾個問題，對答題會有所幫助。

①冷水洗、熱水洗、無水酒精洗有何區(qū)別？

②蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶和蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾有何區(qū)別？

③重結(jié)晶和結(jié)晶有何區(qū)別？

第四步，回歸題目，細(xì)化答題

按照前三步的思路進(jìn)行分析，同學(xué)們就能透徹地理解化工流程并解決相關(guān)問題。試題中往往會插入一些和流程分析無關(guān)的其他考點，例如實驗儀器、實驗安全、離子檢驗、反應(yīng)速率、公式計算等，只要同學(xué)們基礎(chǔ)扎實，平時多積累，考試時依據(jù)已學(xué)知識即可順利解答。

回收、提純類工藝流程題以節(jié)約資源、可持續(xù)發(fā)展為思想，情境往往是從礦石、廢料廢渣、廢液中回收所需物質(zhì)，核心是研究對混合物的除雜、分離、提純，同時滲透元素化學(xué)相關(guān)知識和對數(shù)據(jù)分析、計算能力的考查，能充分檢驗學(xué)生理論知識和搜集分析信息能力。此類題型要求同學(xué)們做好以下兩方面準(zhǔn)備：①掌握元素化學(xué)物相關(guān)知識和氧化還原方程式的書寫方法;②掌握實驗操作相關(guān)知識，注重各項操作的細(xì)節(jié)。