突破化學工藝流程題的思路和方法

尹曉亮 郭寧寧 王志庚(正高級教師)

(1.河北省唐山市灤南縣第一中學 2.河北省唐山市開灤一中 3.河北省唐山市教育局教研室)

化學工藝流程題以真實的化工生產為載體,復原和模擬化工生產的原理,借助相應的文字信息及流程圖的形式呈現,實現對物質性質、反應原理、實驗操作等化學知識的綜合考查,是高考中考查核心素養的優質試題.本文結合高考實例,重點研究物質轉化線和操作線,以期對試題進行重點突破.

1 流程圖中物質轉化線的分析

通過題頭找到原料和產品,通過流程圖,明確核心化學反應(離子反應、氧化還原反應、電化學等),從元素角度確定物質轉化線中的核心物質.

例1(2022 年河北卷,節選)以焙燒黃鐵礦FeS2(雜質為石英等)產生的紅渣為原料制備銨鐵藍Fe(NH4)Fe(CN)6顏料.工藝流程如圖1所示.還原工序中,不生成S單質的反應的化學方程式為________.

圖1

黃鐵礦FeS2是工業制硫酸中的原料,所以不難分析出焙燒黃鐵礦時生成了Fe2O3,故紅渣主要成分為Fe2O3和Si O2;將紅渣粉碎后加入足量的H2SO4溶液,加熱并酸浸,Si O2不反應,Fe2O3與H2SO4反應生成Fe2(SO4)3;向濾液中加入黃鐵礦,將Fe3＋還原為Fe2＋,已知在還原工序中,不生成S單質,則可以判斷S元素被氧化為,這樣就明確了“兩劑兩產物”:Fe3＋＋FeS2→Fe2＋＋.再結合電子守恒關系進行部分配平:14Fe3＋＋FeS2→15Fe2＋＋.下一步結合環境(酸性)進行電荷守恒的配平:14Fe3＋＋FeS2→15Fe2＋＋＋16 H＋.最后一步根據原子守恒配平:14Fe3＋＋FeS2＋8 H2O＝15Fe2＋＋＋16 H＋.故化學方程式為

思路方法化工生產流程題中從原料到核心反應,再到產品的各個環節均可涉及化學方程式的書寫問題,需要學生通過判斷元素價態變化來明確反應類型,尤其是陌生氧化還原反應的配平,難度大、易丟分,學生感覺無從下手.思維模型如下.

第一步:電子守恒.結合題中信息,明確“兩劑兩產物”,即氧化劑＋還原劑＝氧化產物＋還原產物.

第二步:電荷守恒(看環境).根據題中信息,明確酸堿環境.

第三步:原子守恒.反應前后各元素的原子個數相等.

2 流程圖中工業流程操作線的分析

化工生產流程問題是工藝與實驗的融合,?？疾樵项A處理、反應條件的控制、產品獲得階段等問題.

2.1 原料預處理

例2(2022年福建卷,節選)粉煤灰是火電廠的大宗固廢.以某電廠的粉煤灰為原料(主要含Si O2、Al2O3和Ca O 等)提鋁的工藝流程如圖2所示.

圖2

(1)“浸出”時適當升溫的主要目的是_________,Al2O3發生反應的離子方程式為________.

(2)“浸渣”的主要成分除殘余Al 2 O3 外,還有________.

(1)“浸出”時適當升溫,可以增大粉煤灰的溶解速率,提高粉煤灰的浸出率;“浸出”時加入了硫酸,Al2O3和Ca O 與H2SO4反應生成硫酸鹽和水,Si O2不反應,Al2O3發生反應的離子方程式為Al2O3＋6 H＋＝2Al3＋＋3 H2O.(2)通過分析可知,“浸渣”中還存在未參與反應的Si O2和微溶物CaSO4.

思路方法原料預處理環節出現了很多工業術語(焙燒、灼燒、煅燒,研磨、粉碎、攪拌,水浸、酸浸、堿浸等),明確預處理目的是這部分研究的重點(如表1).

表1

2.2 反應條件的控制

例3(2023 年全國乙卷,節選)Li Mn2O4作為一種新型鋰電池正極材料受到廣泛關注.由菱錳礦(Mn CO3,含有少量Si、Fe、Ni、Al等元素)制備Li Mn2O4的流程如圖3所示.

圖3

已知:Ksp[Fe(OH)3]＝2.8×10－39,

Ksp[Al(OH)3]＝1.3×10－33,

Ksp[Ni(OH)2]＝5.5×10－16.

溶礦反應完成后,反應器中溶液的p H＝4,此時c(Fe3＋)＝_________mol?L－1;用石灰乳調節至p H≈7,除去的金屬離子是_________.

加入硫酸將菱錳礦溶解,使雜質中的Fe、Ni、Al等元素轉化為離子形式,同時,加入的Mn O2將溶液中的Fe2＋氧化為Fe3＋;工業上常利用氫氧化物溶解性的差異,通過調節p H 的方法,將離子轉化成沉淀,實現離子的分離.溶液的p H＝4 時,1.0×10－10mol?L－1,再結合Ksp計算出溶液中溶液中的c(Fe3＋)＜1.0×10－5mol?L－1,因為當離子濃度小于10－5mol?L－1時,認為沉淀完全,所以Fe3＋已經沉淀完全;再用石灰乳調節溶液至p H≈7,此時溶液中

Al3＋沉淀完全,Ni2＋未完全沉淀,所以該階段除去的金屬離子是Al3＋.

思路方法反應條件的控制主要有兩種情況(如表2).合適的條件有利于去除雜質或產品的生產.

表2

2.3 產品獲得階段的分析

例4(2022年湖北卷,節選)全球對鋰資源的需求不斷增長,“鹽湖提鋰”越來越受到重視.某興趣小組取鹽湖水進行濃縮和初步除雜后,得到濃縮鹵水(含有Na＋、Li＋、Cl－和少量Mg2＋、Ca2＋),并設計了圖4所示流程,通過制備碳酸鋰來提取鋰.

圖4

已知:25℃時相關物質的參數如表3 所示;H2CO3的溶解度曲線如圖5 所示;Li OH 的溶解度為12.4 g/100 g H2O.

表3

圖5 H2 CO3 的溶解度曲線

(1)“沉淀1”為________.

(2)向“濾液1”中加入適量固體Li2CO3的目的是_________.

(3)為提高Li2CO3的析出量和純度,“操作A”依次為_________、________、洗滌.

(1)首先向濃縮鹵水中加入石灰乳,Mg2＋與其反應轉化為Mg(OH)2沉淀.(2)過濾后向濾液1 中加入適量固體Li2CO3,將Ca2＋轉化成CaCO3沉淀除去,同時還不引入新的雜質.(3)通過Li2CO3的溶解度曲線可知,溫度越高,Li2CO3的溶解度越小,即在溫度高時,更有利于Li2CO3的析出,所以為提高Li2CO3的析出量和純度,需要在較高溫度下析出并過濾得到沉淀,即依次蒸發濃縮,趁熱過濾,洗滌.

思路方法一定要搞清楚工藝流程的生產目的,即希望通過一系列轉化獲得某種產品.圍繞產品的分離、提純常常會有不同的設問,而分離提純常用的方法如過濾、萃取、冷卻結晶、蒸發結晶、蒸餾等,則需要我們重點掌握(如表4).

表4

綜上,整體理解、把握化工生產流程題的試題結構,明確各環節的目的、方法、措施,構建思維模型(如圖6),從題目中獲取有用信息,用規范準確的化學用語進行答題,突破學習難點,做到看題不慌,解題不亂,以不變應萬變.

圖6

(完)