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        建構(gòu)思維模型 突破除雜問題

        2022-03-01 22:52:19鄧君張軍平
        廣東教育·高中 2022年2期
        關(guān)鍵詞:工藝流程

        鄧君 張軍平

        無機工藝流程題近年來一直是高考試題的寵兒,試題取材于生產(chǎn)實際,內(nèi)容涉獵面廣,考查同學(xué)們化學(xué)雙基知識的學(xué)習(xí)情況和應(yīng)用所學(xué)知識解決化工生產(chǎn)中有關(guān)問題的遷移推理、聯(lián)想能力,但是同學(xué)們普遍得分率不高。本文總結(jié)近年來(2016-2021年)全國卷無機工藝流程題考查的內(nèi)容及所含主要雜質(zhì)(如表1),試題一般以陌生元素或陌生化合物知識為載體,多次考查到硅、鋁、鐵氧化物雜質(zhì)的去除問題,最終得到目標(biāo)產(chǎn)物。面對此類問題,只要我們熟悉化工流程題的基本結(jié)構(gòu),建構(gòu)模型,應(yīng)用模型,就有信心攻克無機工藝流程題。

        例題.(2019·全國Ⅲ,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1所示?;卮鹣铝袉栴}:

        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2所示。

        (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)方式:。

        (2)“氧化”中添加適量的 MnO2的作用是將。

        (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=時,z=?????? 。

        解題思路:這是一道直線型工藝流程題。原料為MnO2和MnS及含有Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素,目標(biāo)產(chǎn)物為硫酸錳,自然要保留的是 Mn,而S、Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si都是要除去的對象。礦石中Si一般以SiO2或不溶性硅酸鹽的形式存在,“溶浸”中SiO2與硫酸不反應(yīng),所以加入硫酸的作用是為了除去S和SiO2。礦石中雜質(zhì)Fe、Al、Mg、Zn、Ni等物質(zhì)會一并溶進(jìn)入濾液中,待進(jìn)行下一步除雜。再根據(jù)試題,設(shè)問(3)“調(diào)pH”除鐵和鋁,設(shè)問(4)“除雜1”的目的是除去Zn2+和 Ni2+,設(shè)問(5)“除雜2”的目的是除去Mg2+等信息,由此推斷“氧化”工序并沒有除去其他雜質(zhì),只是利用不引入雜質(zhì)的二氧化錳作為氧化劑,使得MnS反應(yīng)完全,且將溶液中Fe2+氧化為Fe3+。根據(jù)溶度積原理,F(xiàn)e(OH)3和Al(OH)3的溶度積常數(shù)非常小,通過調(diào)節(jié)溶液的pH可使Fe、Al元素以 Fe(OH)3和Al(OH)3形式除去,此時Mn2+尚未沉淀。但是Fe2+水解較弱,開始沉淀和完全沉淀的pH較高,F(xiàn)e(OH)2和Mn(OH)2的Ksp比較接近,會導(dǎo)致所需產(chǎn)品的離子共沉,一般不適合用調(diào)節(jié)pH法除去。

        參考答案:

        (1)SiO2(不溶性硅酸鹽)

        MnO2+MnS+2H2SO4=2MnSO4+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,MgF2(s)?葑Mg2+(aq)+2F-(aq)平衡向右移動

        (6)Mn2++2HC=MnCO3↓+CO2↑+H2O

        (7)

        一、命題思路

        從近五年無機工藝流程題的對比分析,我們不難發(fā)現(xiàn),近幾年來工藝流程題的考查方式是較為相似的。以實際生產(chǎn)或生活背景為載體,將無機理論(氧化還原、離子反應(yīng)、元素周期律、電化學(xué)知識)、元素化合物、化學(xué)計算等多塊內(nèi)容融為一體,綜合性增強。

        以化學(xué)真實情境為試題載體。試題的結(jié)構(gòu)也相對穩(wěn)定,一般如下:原料介紹→原料處理→物質(zhì)轉(zhuǎn)化及分離提純→產(chǎn)品分析。大多數(shù)題目都是從礦石中提純或轉(zhuǎn)化得到最終產(chǎn)品。

        礦物是地殼中各種地質(zhì)作用的產(chǎn)物,所以地殼的化學(xué)成分限制了礦物的化學(xué)成分。O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg這八種元素約占地殼總重量的98%,其中O占地殼重量的一半,Si占地殼重量的1/4多(如圖2)??梢哉f地殼由O的陰離子組成,金屬陽離子(Si、Al、K、Na、Ca等)充填其空隙中,故礦石中一般含有SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等雜質(zhì)。

        縱觀這五年的工藝流程題,試題情境的搭建,都緊密聯(lián)系學(xué)生學(xué)習(xí)和生活生產(chǎn)實際,體現(xiàn)科學(xué),技術(shù),社會和環(huán)境發(fā)展的成果。整體來說,工藝流程的載體均以課本熟悉元素和課外陌生元素,聯(lián)系生產(chǎn)實際而設(shè)計的整體框架。

        二、除雜方法——調(diào)節(jié)溶液pH

        一般來說,含有易溶于酸或堿成分的礦石,利用混合物中各組分酸堿性質(zhì)的不同,先用酸或堿溶浸進(jìn)行原料預(yù)處理后,再進(jìn)行凈化除雜。礦石中常含有SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3等雜質(zhì),SiO2為酸性氧化物,Al2O3為兩性氧化物,F(xiàn)eO、Fe2O3為堿性氧化物,用堿或酸處理,從而將物質(zhì)分離開。

        對例題中表2的數(shù)據(jù)作圖,如圖3所示。圖3中橫坐標(biāo)為溶液pH,縱坐標(biāo)為金屬離子物質(zhì)的量濃度的對數(shù)值,斜線表示不同金屬離子形成氫氧化物沉淀的平衡線,斜線頂端的橫坐標(biāo)數(shù)值是開始(離子濃度為0.1 mol·L-1)產(chǎn)生氫氧化物沉淀的pH,而底端橫坐標(biāo)數(shù)值為沉淀完全(離子濃度≤1×10-5 mol·L-1,即可認(rèn)為該離子沉淀完全)的pH。顯然,一種離子開始沉淀(直線頂端)和另一離子沉淀完全(直線底端)的pH離得越近,用沉淀法對它們進(jìn)行分離的難度就越大。

        像Al3+、Fe3+,具有電荷數(shù)大、半徑小,有較強極化力的陽離子,常常通過結(jié)合水電離出的OH-而水解的方法除去。但是,極化力較小、水解程度不大的Fe2+,一般不通過水解法除去,如Fe(OH)2和Zn(OH)2的 Ksp非常接近,無法達(dá)到分離的目的。工藝流程中,一般加入氧化劑將Fe2+氧化為Fe3+,再加入相應(yīng)的除雜試劑碳酸鹽或氫氧化物或金屬氧化物等,主要目的是調(diào)節(jié)溶液pH且不引入新雜質(zhì),促進(jìn)Fe3+水解轉(zhuǎn)變?yōu)镕e(OH)3沉淀分離除去。

        然而,個別同學(xué)還可能有一些困惑:Al3+、Fe3+怎么能在酸性溶液中形成氫氧化物沉淀呢? 會不會發(fā)生酸堿中和呢?由于這些金屬氫氧化物的 Ksp較小,當(dāng)滿足Qc>Ksp時,金屬離子開始沉淀甚至完全沉淀,溶液可能仍然處于酸性環(huán)境。

        三、構(gòu)建除雜思維模型

        某礦石中主要成分為XO(二價金屬氧化物),還含有SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、YO(陌生二價金屬氧化物)等雜質(zhì),構(gòu)建除去硅、鋁、鐵氧化物的兩種基本思維模型(如圖4、5)。氧化劑可選擇綠色氧化劑,如H2O2、O2等,也可選擇不引入雜質(zhì)、降低成本情況下合適的氧化劑,如KMnO4、MnO2、HNO3、NaClO3等。調(diào)節(jié)溶液pH的試劑可選擇含有被提純金屬離子的碳酸鹽、氫氧化物、金屬氧化物中的一種,也可選擇不引入雜質(zhì)、降低成本情況下合適的堿,如NaOH、KOH、NH3·H2O等。再根據(jù)題目信息,利用沉淀法或還原法等除去Y。

        成功沒有捷徑,但一定有方法。整體來看,對于解答此種類型題,工藝流程題的基本策略是首先要提取題干信息,了解生產(chǎn)的產(chǎn)品,再分析流程步驟,全方位了解流程,再根據(jù)試題設(shè)問及要求,從問題中提煉答題信息。有了簡單易掌握的思維模型,同學(xué)們面對此類工藝流程題時,即使在高考中面對陌生知識或陌生情境,也能觸類旁通,從容應(yīng)對,正確作答。

        責(zé)任編輯 李平安

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