王開山

化學(xué)工業(yè)流程題以原料充分利用和產(chǎn)品制備為目的，融原料、方法、技術(shù)、產(chǎn)品等要素，以簡潔的流程圖形式給出了從原料到目標(biāo)產(chǎn)品的制備過程.該類型試題涉及物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、除雜、產(chǎn)品提純等過程，能很好地考查學(xué)生對基本實驗操作、常見元素及其化合物性質(zhì)和反應(yīng)原理的掌握程度，也能很好地考查學(xué)生思維的敏銳性、有序性、完整性以及變化觀念和社會責(zé)任等核心素養(yǎng)，是近年化學(xué)高考必考題型.

筆者在平時教學(xué)中通過以下四個方面來指導(dǎo)學(xué)生高效解答工業(yè)流程試題，取得了很好的效果，現(xiàn)與各位同行交流.

1.明確一個目標(biāo)產(chǎn)品

工業(yè)流程中的一切反應(yīng)或操作都是為獲得產(chǎn)品而服務(wù)的.首先要明確工業(yè)流程題最后的目標(biāo)產(chǎn)品是什么，這樣就可以快速確定轉(zhuǎn)化過程中要保護(hù)的元素和要分離除去的元素.目標(biāo)產(chǎn)品明確了，就有了轉(zhuǎn)化的主線.

2.緊抓二個關(guān)鍵步驟

轉(zhuǎn)化 從原料中的核心元素到目標(biāo)產(chǎn)品的過程往往涉及到多步轉(zhuǎn)化，根據(jù)核心元素的化合價是否發(fā)生變化就可確定是否涉及到氧化還原反應(yīng).

除雜 原料中除了核心元素以外，其他雜質(zhì)主要是根據(jù)其物理和化學(xué)性質(zhì)采取灼燒、水溶、酸溶、堿溶、調(diào)節(jié)pH、置換等步驟和操作將其除去.

3.堅持三個重要原則

節(jié)約原則 為了培養(yǎng)學(xué)生節(jié)儉習(xí)慣，要注意試劑的循環(huán)使用，避免浪費.核心元素到最終產(chǎn)品所需的轉(zhuǎn)化試劑也要選擇常見的，低成本的.

環(huán)保原則 在原料轉(zhuǎn)化過程中要考慮盡可能少或不產(chǎn)生污染性的物質(zhì).如產(chǎn)生了污染性物質(zhì)，要及時進(jìn)行處理，避免污染環(huán)境.

不引雜原則 物質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中與所加試劑反應(yīng)后不能引入新的雜質(zhì)或引入的新雜質(zhì)在后續(xù)步驟中要容易除去.

4.關(guān)注四個高頻考點

除雜方法 除雜方法主要有焙燒（焙燒作用一般有：①將塊狀固體轉(zhuǎn)化為粉末狀;②與氧氣反應(yīng)除去一些易轉(zhuǎn)化為氣體的元素，如C、S、N等;③與其它試劑發(fā)生反應(yīng)，完成部分成分的轉(zhuǎn)化.）;酸浸（酸浸一般可將原料中金屬氧化物轉(zhuǎn)化為可溶于水的金屬陽離子，也可將SiO2等與常見酸不反應(yīng)的雜質(zhì)除去）;堿浸（堿浸一般可除去原料表面的油污等，也可將SiO2、Al2O3等轉(zhuǎn)化為易溶物，通過過濾與其它固體分離）;調(diào)節(jié)pH（調(diào)節(jié)pH的過程就是將金屬陽離子不斷沉淀的過程）.

計算 主要考查①金屬陽離子開始沉淀及沉淀完全時的pH;②金屬陽離子的濃度.

轉(zhuǎn)化原理 考查產(chǎn)品或雜質(zhì)轉(zhuǎn)化時的反應(yīng)方程式.

產(chǎn)品提純 目標(biāo)產(chǎn)品需要通過結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥等步驟進(jìn)行提純.

真題賞析：

例1 （2021年全國乙卷題26）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，通過如圖1所示工藝流程回收鈦、鋁、鎂等.

圖1

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH見表1.

表1

金屬離子Fe3+Al3+

Mg2+Ca2+開始沉淀的pH2.23.59.512.4

沉淀完全（c=1.0×10-5mol瘙簚L-1）的pH3.24.711.113.8

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瘙簚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瘙簚H2O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.

分析 該工業(yè)流程的目標(biāo)產(chǎn)品是TiO2瘙簚xH2O和各種沉淀.核心元素Ti化合價未發(fā)生改變，轉(zhuǎn)化過程中無氧化還原反應(yīng).轉(zhuǎn)化過程中所加的試劑都比較常見，不會引入難處理的雜質(zhì).通過對后續(xù)試劑的處理也實現(xiàn)了試劑的循環(huán)使用.問題的設(shè)置主要考查了通過外加試劑實現(xiàn)部分成分的轉(zhuǎn)化、通過調(diào)節(jié)pH實現(xiàn)金屬陽離子的分步沉淀、一定pH下金屬陽離子濃度的計算及尾氣處理和試劑的循環(huán)利用等.

解析 （1）Al2O3轉(zhuǎn)化為NH4Al（SO4）2發(fā)生的反應(yīng)為Al2O3、（NH4）2SO4在高溫條件下反應(yīng)生成NH4Al（SO4）2、NH3和H2O，反應(yīng)的化學(xué)方程式為Al2O3+4（NH4）2SO4焙燒2NH4Al（SO4）2+6NH3↑+3H2O;

（2）由試題所給金屬陽離子開始沉淀和完全沉淀的pH可知，將pH從2.0調(diào)節(jié)至11.6時，F(xiàn)e3+首先沉淀、然后是Al3+和Mg2+沉淀，Ca2+不會沉淀;

（3）由Mg2+完全沉淀時，溶液pH為11.1可知，Mg（OH）2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Mg2+的濃度為1×10-10.8/（1×10-2.4）2=1×10-6mol/L;

（4）增大溶液中SO2-4離子濃度，有利于產(chǎn)生CaSO4沉淀，為了使微溶的CaSO4完全沉淀，減少TiOSO4溶液中含有CaSO4的量，應(yīng)加入濃H2SO4加熱到160℃酸溶;由分析可知，SiO2和CaSO4與濃H2SO4不反應(yīng)，則酸溶渣的主要成分為SiO2和CaSO4;

（5）酸溶后將TiOSO4溶液加入熱水稀釋并適當(dāng)加熱，能使TiOSO4完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，反應(yīng)的離子方程式為TiO2++（x+1）H2O△TiO2·xH2O+2H+;

（6）由分析可知，尾氣為NH3，母液①為（NH4）2SO4、母液②為H2SO4，將母液①和母液②混合后吸收NH3得到（NH4）2SO4溶液，可以循環(huán)使用.

答案：（1）Al2O3+4（NH4）2SO4焙燒

2NH4Al（SO4）2+6NH3↑+3H2O;

（2）Fe3+、Al3+、Mg2+

（3）1×10-6

（4）硫酸 SiO2、CaSO4

（5）TiO2++（x+1）H2O△TiO2·xH2O+2H+

（6）（NH4）2SO4

例2 （2020年全國卷Ⅲ題27）某油脂廠廢棄的油脂加氫鎳催化劑主要含金屬Ni、Al、Fe及其氧化物，還有少量其他不溶性物質(zhì).采用如圖2所示工藝流程回收其中的鎳制備硫酸鎳晶體（NiSO4·7H2O）：圖2

溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

金屬離子Ni2+Al3+Fe3+Fe2+

開始沉淀時（c=0.01 mol·L-1）的pH7.23.72.27.5

沉淀完全時

（c=1.0×10-5 mol·L-1）的pH

8.74.73.29.0

回答下列問題：

（1）“堿浸”中NaOH的兩個作用分別是.為回收金屬，用稀硫酸將“濾液①”調(diào)為中性，生成沉淀.寫出該反應(yīng)的離子方程式.

（2）“濾液②”中含有的金屬離子是.

（3）“轉(zhuǎn)化”中可替代H2O2的物質(zhì)是.若工藝流程改為先“調(diào)pH”后“轉(zhuǎn)化”，即，“濾液③”中可能含有的雜質(zhì)離子為.

（4） 利用上述表格數(shù)據(jù)，計算Ni（OH）2的Ksp=（列出計算式）.如果“轉(zhuǎn)

化”后的溶液中Ni2+濃度為1.0 mol·L-1，則“調(diào)pH”應(yīng)控制的pH范圍是.

（5） 硫酸鎳在強堿溶液中用NaClO氧化，可沉淀出能用作鎳鎘電池正極材料的NiOOH.

寫出該反應(yīng)的離子方程式.

（6）將分離出硫酸鎳晶體后的母液收集、循環(huán)使用，其意義是.

分析 該工業(yè)流程的核心元素是Ni元素，廢料中Ni元素有0價（單質(zhì)）和+2價（氧化物），最終制備的產(chǎn)品硫酸鎳晶體（NiSO4·7H2O）中Ni為+2價.流程中存在鎳元素的氧化過程.除雜過程涉及到Fe2+的氧化和金屬陽離子的沉淀等.考點主要集中在Al、Fe及其氧化物的除雜、Ksp的計算、物質(zhì)轉(zhuǎn)化原理及試劑的循環(huán)利用等.

解析 （1）“堿浸”中NaOH一是除去油脂;二是溶解鋁及其氧化物，將其轉(zhuǎn)化為偏鋁

酸鹽.用稀硫酸將“濾液①”調(diào)為中性，生成的離子方程式為：AlO-2+H++H2OAl（OH）3↓

（2）Fe經(jīng)過酸浸首先轉(zhuǎn)化為Fe2+，部分Fe2+會被空氣氧化為Fe3+，“濾液②”中含有的金屬離子有Ni2+、Fe2+、Fe3+

（3）“轉(zhuǎn)化”環(huán)節(jié)加入H2O2的目的是將Fe2+氧化為Fe3+，考慮到不能引入新的雜質(zhì)，可替代H2O2的物質(zhì)是O2或空氣;如果先“調(diào)pH”后“轉(zhuǎn)化”，由于不能將Fe2+沉淀完全，“濾液③”中會含有Fe3+.

（4）根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)，0.01 mol·L-1Ni2+開始沉淀的pH為7.2，則Ni（OH）2的Ksp=0.01×

（10-14/10-7.2）2=10-15.6.“轉(zhuǎn)化”后的溶液中Ni2+濃度為1.0 mol·L-1，則Ni2+開始沉淀的c（OH-）=（10-15.6/1）1/2=10-7.8，c（H+）=10-6.2，pH=6.2.

（5） 硫酸鎳中的Ni2+在強堿性溶液中被NaClO氧化為+3價的NiOOH，ClO-轉(zhuǎn)化為Cl-.離子方程式為：2Ni2++ClO-+4OH-2NiOOH↓+Cl-+H2O

（6）母液的收集和循環(huán)使用可以提高鎳的利用率，提高鎳的回收率.

答案：（1）除去油脂，溶解鋁及其氧化物 AlO-2+H++H2O=Al（OH）3↓ （2）Ni2+、Fe2+、Fe3+ （3）O2或空氣 Fe3+

（4）0.01×（107.2-14）2[或10-5×（108.7-14）2] 3.2～6.2

（5）2Ni2++ClO-+4OH-2NiOOH↓+Cl-+H2O

（6）提高鎳回收率

例3 （2019年全國卷Ⅲ題26）高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料，工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦（還含F(xiàn)e、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素）制備，工藝如圖3所示.回答下列問題：圖3

相關(guān)金屬離子[c0（Mn+）=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如表3所示.

表3

金屬離子Mn2+Fe2+Fe3+Al3+

Mg2+Zn2+Ni2+開始沉淀的pH8.16.31.53.4

8.96.26.9

沉淀完全的pH10.18.32.8

4.710.98.28.9

（1）“濾渣1”含有S和;寫出“溶浸”中二氧化錳與硫化錳反應(yīng)的化學(xué)方程式.

（2）“氧化”中添加適量的MnO2的作用是.

（3）“調(diào)pH”除鐵和鋁，溶液的pH范圍應(yīng)調(diào)節(jié)為～6之間.

（4）“除雜1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“濾渣3”的主要成分是.

（5）“除雜2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+.若溶液酸度過高，Mg2+沉淀不完全，原因是.

（6）寫出“沉錳”的離子方程式.

（7）層狀鎳鈷錳三元材料可作為鋰離子電池正極材料，其化學(xué)式為LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Co、Mn的化合價分別為+2、+3、+4.當(dāng)x=y=1/3時，z=.

分析 該工業(yè)流程的核心元素是Mn元素，目標(biāo)產(chǎn)品是MnSO4，從MnO2和MnS到MnSO4存在氧化還原反應(yīng).Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等雜質(zhì)元素的除去主要是通過沉淀法除去.考點主要集中在物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、沉淀pH范圍的確定、物質(zhì)轉(zhuǎn)化原理、通過守恒思想進(jìn)行計算等.

解析 （1）Si元素以SiO2或不溶性硅鹽存在，SiO2與硫酸不反應(yīng)，濾渣I中除了S以外還有SiO2;根據(jù)濾渣1中存在單質(zhì)S，可知在硫酸的溶浸過程中，MnO2和MnS發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，MnO2作氧化劑，MnS作還原劑，方程式為：MnO2+MnS+2H2SO42MnSO4+S+2H2O.

（2）MnO2作為氧化劑，“氧化”中添加適量的MnO2不僅使得MnS反應(yīng)完全，而且能將溶液中Fe2+氧化為Fe3+.

（3）由表中數(shù)據(jù)知pH在4.7時，F(xiàn)e3+和Al3+沉淀完全，所以應(yīng)該控制pH在4.7～6之間.

（4）根據(jù)題干信息，加入Na2S除雜為了除去Zn2+和Ni2+，所以濾渣3是生成的ZnS和NiS沉淀.

（5）由HFH++F-知，酸度過大，電離平衡逆向移動，F(xiàn)-濃度減低，使得MgF2Mg2++2F-平衡向沉淀溶解方向移動，Mg2+沉淀不完全.

（6）根據(jù)題干信息沉錳的過程是生成了MnCO3沉淀，所以反應(yīng)離子方程式為：Mn2++2HCO3-MnCO3↓+CO2↑+H2O.

（7）根據(jù)化合物中各元素化合價代數(shù)和為0的規(guī)律得：1+2x+3y+4z=6，已知，x=y=1/3，帶入

計算得：z=1/3.

答案：（1）SiO2（不溶性硅酸鹽） MnO2+MnS+2H2SO42MnSO4+S+2H2O

（2）將Fe2+氧化為Fe3+

（3）4.7

（4）NiS和ZnS

（5）F-與H+結(jié)合形成弱電解質(zhì)HF，MgF2Mg2++2F-平衡向右移動，Mg2+沉淀不完全.

（6）Mn2++2HCO-3MnCO3↓+CO2↑+H2O

（7）1/3

工業(yè)流程題以真實工業(yè)生產(chǎn)過程為背景，體現(xiàn)了能力立意的命題思想，能夠綜合考查學(xué)生解決生產(chǎn)實際問題的能力.教師在試題教學(xué)中要幫助學(xué)生做到明確目標(biāo)產(chǎn)品、緊抓關(guān)鍵轉(zhuǎn)化步驟和除雜環(huán)節(jié)、堅持重要原則、關(guān)注高頻考點等四個方面，在高效解答試題的同時，努力提升學(xué)生的綜合素養(yǎng).

基金項目：寧夏回族自治區(qū)青年拔尖人才培養(yǎng)工程（寧人社發(fā)〔2019〕90號）項目資助.

（收稿日期：2021-09-20）