高考化学考点突破：无机化学工艺流程题的解题策略

无机化学工艺流程题的解题策略

[解题思维]

1．化工流程线路示意图及涉及问题

2．获取解题信息的方法途径

(1)从题干中获取有用信息，了解生产的终产品。

(2)整体浏览一下流程，基本辨别出预处理、反应、提纯、分离等阶段。

(3)分析流程中的每一步骤，并获取以下信息：

①知道“四个什么”——反应物是什么，发生了什么反应，该反应造成了什么后果，对制造产品有什么作用。

②抓住“一个关键”——一切反应或操作都是为获得产品而服务。

(4)从问题中获取信息，明确问题与哪些化学知识相关。

3．分析方法

(1)首尾分析法：对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题，首先对比分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品)，从对比分析中找出原料与产品之间的关系，弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺，然后再结合题设的问题，逐一推敲解答。

(2)分段分析法：对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工业流程题，用分段分析法更容易找到解题的切入点。

4．规范解答

文字叙述类的题目要严格按题目要求规范解答。

[真题剖析] 题型一 以制备某一物质为目的的工艺流程题

1．(2018·全国卷Ⅱ)我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家。一种以闪锌矿(主要成分为ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质)为原料制备金属锌的流程如图所示：

相关金属离子[c0(Mn＋)＝0.1 mol·L–1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

金属离子

Fe3＋ Fe2＋ Zn2＋ Cd2＋

开始沉淀的pH 1.5 6.3 6.2 7.4

沉淀完全的pH

2.8 8.3 8.2 9.4

回答下列问题：

(1)焙烧过程中主要反应的化学方程式为__________________________________。

(2)滤渣1的主要成分除SiO2外还有________；氧化除杂工序中ZnO的作用是________，若不通入氧气，其后果是________________________。

(3)溶液中的Cd2＋可用锌粉除去，还原除杂工序中反应的离子方程式为__________________________。

(4)电解硫酸锌溶液制备单质锌时，阴极的电极反应式为__________________；沉积锌后的电解液可返回________工序继续使用。

解析 (1)在焙烧过程中ZnS和O2反应生成ZnO和SO2。(2)溶液中的Pb2＋与SO2－4不能共存生成PbSO4沉淀，SiO2不溶于H2SO4，即滤渣1中含SiO2和PbSO4。氧化除杂过程中O2能将溶液中Fe2＋氧化生成Fe3＋，加入ZnO能调节溶液的pH，促进Fe3＋完全水解。由题表知Fe2＋、Zn2＋开始沉淀和沉淀完全时的pH非常接近，若不通入O2使Fe2＋氧化为Fe3＋，加入ZnO后无法除去Fe2＋，会影响Zn的纯度。(3)根据题中信息可知还原除杂工序中涉及的离子反应为Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋。(4)结合图示可知电解ZnSO4溶液时生成Zn，即电解时Zn2＋在阴极被还原，电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn。沉积后的电解液中主要含有H2SO4，可返回溶浸工序中继续使用。

答案 (1)ZnS＋32O2焙烧,ZnO＋SO2 (2)PbSO4 调节溶液的pH以除去Fe3＋ 无法除去杂质Fe2＋ (3)Cd2＋＋Zn===Cd＋Zn2＋ (4)Zn2＋＋2e－===Zn 溶浸

解题策略

制备类工艺流程题在流程上一般分为3个过程

原料处理―→分离提纯―→获得产品

(1)原料预处理的目的与作用

(2)必考的反应条件与控制措施

反应条件 条件内容

调节溶液

的pH 常用于使某些金属离子形成氢氧化物沉淀。调节pH所需的物质一般应满足两点：能与H＋反应，使溶液的pH增大；不引入新的杂质

控制温度 根据需要升温或降温，改变反应速率或使平衡向需要的方向移动；减少副反应的发生

控制压强 改变速率，使平衡向需要的方向移动

使用催化剂 加快反应速率，缩短达到平衡的时间

趁热过滤 防止某物质降温时会大量析出

冰水或有机

溶剂洗涤 洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗

(3)获得产品阶段的常见操作措施及原因

①洗涤(冰水、热水)洗去晶体表面的杂质离子，并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗：乙醇洗涤既可洗去晶体表面的杂质，又可减少晶体溶解的损耗。

②蒸发时的气体氛围抑制水解：如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时，应在HCl的气流中加热，以防其水解。

③蒸发浓缩、冷却结晶：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若将混合溶液加热蒸发浓缩后再降温，则析出的固体主要是K2Cr2O7，母液中是NaCl和少量K2Cr2O7，这样就可分离出大部分K2Cr2O7；同样原理可除去KNO3溶液中的少量NaCl。

④蒸发结晶、趁热过滤：如NaCl和K2Cr2O7混合溶液，若将K2Cr2O7蒸发一段时间，析出的固体主要是NaCl，母液中是K2Cr2O7和少量NaCl；同样原理可除去NaCl溶液中的少量KNO3。

题型二 以混合物的分离、提纯为目的的工艺流程题

2．(2018·江苏卷)以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金属硫酸盐)为原料，生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如下：

(1)焙烧过程均会产生SO2，用NaOH溶液吸收过量SO2的离子方程式为______________________。

(2)添加1% CaO和不添加CaO的矿粉焙烧，其硫去除率随温度变化曲线如图所示。

已知：多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃

硫去除率＝1－焙烧后矿粉中硫元素总质量焙烧前矿粉中硫元素总质量×100%

①不添加CaO的矿粉在低于500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于__________。②700 ℃焙烧时，添加1% CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低，其主要原因是________________。

(3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2，铝元素存在的形式由________(填化学式)转化为________(填化学式)。

(4)“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2，理论上完全反应消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)＝________。

解析 (1)二氧化硫是酸性氧化物，少量二氧化硫与NaOH溶液反应生成正盐Na2SO3，过量二氧化硫与NaOH溶液反应生成NaHSO3。(2)①根据高硫铝土矿的成分中含FeS2和金属硫酸盐，而多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃，如果不添加CaO的矿粉在低于500 ℃焙烧，则去除的硫元素主要来源于FeS2，具体的反应原理为4FeS2＋11O2===2Fe2O3＋8SO2。②添加的CaO吸收SO2生成CaSO3，CaSO3易被空气中的氧气氧化为CaSO4。根据题目所给“多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃”，可知700 ℃时CaSO4可能未分解或未完全分解而留在矿粉中，从而导致添加1% CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低；(3)高硫铝土矿中的氧化铝溶于NaOH生成NaAlO2：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O；向NaAlO2溶液中通入过量的二氧化碳，生成氢氧化铝：CO2(过量)＋2H2O＋NaAlO2===Al(OH)3↓＋NaHCO3。(4)假定FeS2与Fe2O3的化学计量数分别是1、x，由元素守恒可知Fe3O4、SO2的化学计量数分别是(1＋2x)/3、2，最后根据氧元素守恒得关系式：3x＝4＋8x3＋4，解得x＝16，从而快速得解。 答案 (1)OH－＋SO2===HSO－3

(2)①FeS2 ②硫元素转化为CaSO4因难以分解而留在矿粉中

(3)NaAlO2 Al(OH)3 (4)1∶16

解题策略

这类题其实就是混合物的除杂、分离、提纯。当遇到这一类题时，一定要在题目中找出要得到的主要物质是什么，混有的杂质有哪些，主要物质和杂质的性质差别是什么。认真分析当加入某一试剂后，能与什么物质发生反应，生成了什么产物，要用什么样的方法才能将杂质除去，要相信题中的每一种试剂、每一步操作都是为了得到更多和更纯的产品。经过这样的思考后将工艺流程转化为物质转化流程，更能明白每一步所加试剂或操作的目的。

(1)提纯方法

方法 目的

水溶法 除去可溶性或不溶性杂质

酸溶法 除去碱性杂质

碱溶法 除去酸性杂质

氧化剂法或还原剂法 除去还原性或氧化性杂质

加热灼烧法 除去受热易分解或易挥发的杂质

调节pH法 除去酸性溶液中的Fe3＋等金属离子

(2)分离方法

①过滤：分离难溶物和易溶物，根据特殊需要采用趁热过滤或抽滤等方法。

②萃取和分液：利用溶质在互不相溶的溶剂里的溶解度不同提取分离物质，如用CCl4或苯萃取溴水中的溴。

③蒸发结晶：提取溶解度随温度变化不大的溶质，如NaCl。

④冷却结晶：提取溶解度随温度变化较大的溶质、易水解的溶质或结晶水合物，如KNO3、FeCl3、FeSO4·7H2O等。

⑤蒸馏或分馏：分离沸点不同且互溶的液体混合物，如分离乙醇和甘油。

⑥冷却法：利用气体易液化的特点分离气体，如合成氨工业采用冷却法分离氨气与氮气、氢气。

[模拟预测]

1．(2019·西北师大附中月考)工业上利用粗ZnO(含FeO、CuO)制取金属锌的流程如下(部分步骤省略)：

已知：几种离子形成氢氧化物沉淀时的pH如下表：

待沉淀的离子 Fe2＋ Fe3＋ Zn2＋ Cu2＋

开始沉淀时pH 6.3 1.5 6.2 5.2

沉淀完全时pH 9.7 3.2 8.0 6.4

请回答下列问题：

(1)酸浸粗氧化锌的过程中，为了加快酸浸速率，可采取的措施有__________________________________________ (写出一点即可)。

(2)步骤A的目的是将Fe2＋氧化为Fe3＋，并全部形成Fe(OH)3沉淀，为了暂不形成Cu(OH)2、Zn(OH)2，该步骤需控制溶液pH的范围是________，该步骤中加入H2O2发生反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

(3)步骤D的操作名称为______________。

(4)由粗ZnO制取单质锌的另一种方法是将粗ZnO (含FeO、CuO) 溶于NaOH溶液，ZnO全部转化为Na2[Zn(OH)4]溶液，该反应的化学方程式为_______________________________；

然后将FeO、CuO过滤除去；再用惰性电极电解该滤液，阳极上逸出无色无味气体，阴极上析出锌，则阴极电极反应式为_________________________________________________。