高中化學工藝流程題的解題策略

王丹丹

(南寧市第三十三中學,廣西 南寧 530009)

新課改后,高考化學的命題特點發生了顯著變化,題目更注重將基礎知識與工農業生產實際情境相結合.化學工藝流程題與生產生活聯系緊密,工藝情境真實,成為近幾年高考主流題型之一[1].考查內容包括元素化合物的性質及轉化、化學反應原理、物質的分離與提純等,分值高難度大,要求學生熟練掌握這類題型的解題方法[2].

1 高考解題思維

1.1 常用的分析方法

(1)首尾分析法.對一些從原料到產品為一條龍生產工序的線型流程工藝試題,先對比分析流程圖中的原料(即第一種物質)與產品(即最后一種物質),從對比分析中找出原料與產品之間的關系,弄清生產過程中原料轉化為產品的基本原理,以及包括除雜、分離和提純產品的化工工藝,然后再結合題設的問題,逐一推敲解答[3].

(2)分段分析法.對于用同樣的原料生產多種(2種或2種以上)產品(包括副產品)的工藝流程題,用分段分析法更容易找到解題的切入點.

1.2 常考的制備措施

1.3 常考的控制條件

1.4 常用的除雜方法

2 例題剖析

例1 如圖1所示的工藝流程為某礦物工廠采用軟錳礦和輝鉍礦提煉ΜnSΟ4和BiOCl的過程.已知:輝鉍礦的主要成分為Bi2S3、FeS2、SiO2,軟錳礦的主要成分為MnO2,焙燒時MnO2轉變為Mn2O3,回答下列問題.(金屬活動性:Fe>(H)>Bi>Cu,該工藝條件下溶液中相關金屬離子開始/完全沉淀的pH范圍如表5)

圖1 ΜnSΟ4和BiOCl提煉工藝流程圖

(1)可以采取以下哪些措施來提高焙燒過程的效率:

A.適當提高通入空氣的量

B.將礦石粉碎得更細小

C.降低焙燒溫度

(2)在空氣中對Bi2S3進行單獨焙燒時會生成Bi2O3,寫出其反應的化學方程式;

(3)在“酸浸”過程中,加入過量濃鹽酸的作用是什么?

(4)“酸浸”完成后會進行過濾,濾渣的主要成分有哪些?

(5)“酸浸”過程中產生氣體A是什么,寫出其離子方程式;

(6)“轉化”步驟中,金屬Bi的作用是什么?

解本題考查聯合焙燒法制備BiOCl和ΜnSΟ4的工藝流程分析.

(1)聯合焙燒時,適當提高通入空氣的量有利于礦石充分反應,可以提高焙燒過程的效率,A符合題意;將礦石粉碎得更細小,可以增大礦石與空氣的接觸面積,能夠提高焙燒效率,B符合題意;降低焙燒溫度,反應速率減慢,不利于提高焙燒效率,C不符合題意.

(2)在空氣中對Bi2S3進行單獨焙燒時會生成Bi2O3,根據原子守恒可知還應生成SO2,結合得失電子守恒,反應的化學方程式為:

(3)加入濃鹽酸后,溶液中含有的離子主要為Bi3+、Fe3+、Mn2+、H+、Cl-,酸浸后取濾液進行轉化,因此要加入過量濃鹽酸防止金屬離子水解生成沉淀,進入濾渣,造成制得的BiOCl產率偏低.

(4)根據(3)并結合輝鉍礦和軟錳礦的主要成分為Bi2S3、FeS2、SiO2、MnO2,可知濾渣的主要成分為SiO2;

(5)焙燒時MnO2轉變為Mn2O3,FeS2轉變為Fe2O3,Bi2S3轉變為Bi2O3,Mn2O3與鹽酸會發生氧化還原反應會生成Mn2+與Cl2,所以氣體為Cl2,離子方程式為:

(6)由表1知,將pH調到2.6時,Fe3+會水解生成Fe(OH)3沉淀,但Fe2+還沒開始沉淀,故要將Fe3+轉化為Fe2+,再調pH后獲得含FeCl2的濾液,為了不引入新的雜質,加入Bi作為還原劑.

表1 常考的制備措施

表2 常考的控制條件

表3 常用的化學除雜方法

表4 常用的物理除雜方法

表5 溶液中相關金屬離子沉淀pH范圍

例2 如圖2所示的工藝流程為某礦物工廠從鋁土礦廢料赤泥中提取Sc與TiO2的過程.已知:赤泥的主要成分為Fe2O3、Al2O3、TiO2、Sc2O3,回答下列問題.

圖2 Sc與TiO2提煉工藝流程圖

(1)寫出基態Sc原子的價電子排布式;

(2)在“沉淀轉化”過程中,加入過量草酸的作用是什么?

(3)寫出“焙燒”過程中生成Sc2O3化學方程式;

(4)常溫下+3價Sc的幾種存在形式與氟離子濃度的對數[lgc(F-)]～pH的關系如圖3所示.已知c(F-)=5×10-4mol/L,“調pH”過程中將pH調至4.0,寫出調節pH后+3價Sc的存在形式;

圖3 +3價Sc的存在形式與氟離子濃度、pH的關系

(5)在“脫水除銨”的過程中,復鹽3NH4Cl·ScF4·aH2O分解得到ScF3,某固體樣品質量與溫度的關系如圖4所示.加熱至380～400 ℃產生白煙,400 ℃以上質量不再改變,求a;

圖4 固體樣品質量與溫度的關系

(6)“水解”過程中,加水稀釋后,TiOSO4水解為TiO2·xH2O,寫出TiOSO4水解的離子方程式.

解(1)Sc為21號元素,因此基態Sc原子的價電子排布式為3d14s2;

(2)“沉淀轉化”過程中存在以下平衡:

該過程中需加入過量的草酸,其原因是草酸與OH-反應,OH-濃度減小,使氫氧化鈧轉化為草酸鈧的平衡正向移動,提高沉淀轉化率;

(3)由題給流程圖可知,“沉淀轉化”過程中Sc2(OH)3轉化為Sc2(C2O4)3,“焙燒”過程中Sc2(C2O4)3轉化成Sc2O3和CO2,反應中碳元素化合價升高,則空氣中氧氣參與反應,氧元素化合價降低,化學方程式為:

(4)已知c(F-)=5×10-4mol/L,則lgc(F-)≈-3.3;“調pH”過程中控制pH為4.0,由題圖3可知此時+3價Sc的存在形式為ScF3

(5)由題意可知,加熱至380～400 ℃產生白煙,400 ℃以上質量不再改變.復鹽3NH4Cl·ScF4·aH2O加熱首先失去結晶水,200～300 ℃時減少的質量為結晶水的質量,為7.41 g-5.25 g=2.16 g

解得a=6

(6)“水解”過程中,TiOSO4水解為TiO2·xH2O同時生成氫離子,離子方程式為:

3 結束語

工藝流程題將化學工藝流程進行簡化,并與高中化學的理論知識融合,用框圖形式將化工生產中的生產流程表示出來,再根據生產流程中有關的化學知識步步設問.要求學生對常用的制備措施、控制條件和除雜方法全面掌握并熟練運用,在分析問題時要沉著冷靜,找準工藝設計的目的,明確整個流程的意義,然后結合所學理論知識,細致作答.