賴陸鋒 李春燕 肖承云

以實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程為背景設(shè)置的化工流程題是歷年高考必考題型，該題型考查的知識(shí)范圍包括化學(xué)基本概念、化學(xué)反應(yīng)及轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)原理應(yīng)用、化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作、化學(xué)計(jì)算等，綜合考查了學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。

一、無(wú)機(jī)化工流程題的題型結(jié)構(gòu)

流程圖一般三大部分：原料預(yù)處理、轉(zhuǎn)化與分離階段、獲取最終產(chǎn)物階段。

二、解題基本思路

1.整體瀏覽，明確化學(xué)工藝流程的主要目的。

2.在起始原材料里分析需提取的目標(biāo)元素和含有的雜質(zhì)元素，分析流程中每一個(gè)步驟的反應(yīng)物和生成物，每一步分離和提純的物質(zhì)和操作方法。

3.從題干中獲取有效信息，有針對(duì)性地解決題設(shè)中提出的每一個(gè)問(wèn)題。

三、核心考點(diǎn)歸納例析

1.考查原料預(yù)處理的方法和目的

預(yù)處理的目的是使原料中待提取元素的狀態(tài)，由難浸出的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成易浸出的物質(zhì)。常考的原料預(yù)處理操作和目的有：

【例1】（2021年山東高考卷節(jié)選）工業(yè)上以鉻鐵礦（FeCr2O4，含Al、Si氧化物等雜質(zhì)）為主要原料制備紅礬鈉（Na2Cr2O7·2H2O）的工藝流程如圖。回答下列問(wèn)題：

焙燒的目的是將FeCr2O4轉(zhuǎn)化為Na2Cr2O4并將Al、Si氧化物轉(zhuǎn)化為可溶性鈉鹽，焙燒時(shí)氣體與礦料逆流而行，目的是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???。

【答案】增大反應(yīng)物接觸面積，提高化學(xué)反應(yīng)速率，提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率。

2.考查控制反應(yīng)條件的目的

【例2】（2021年全國(guó)乙卷節(jié)選）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(guò)如下工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

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(jiàn)下表

回答下列問(wèn)題：

（2）“水浸”后“濾液”的pH約為2.0，在“分步沉淀”時(shí)用氨水逐步調(diào)節(jié)pH至116，依次析出的金屬離子是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??。

【解析】由題給金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH可知，將pH約為20的濾液加入氨水調(diào)節(jié)溶液pH為116時(shí)，鐵離子首先沉淀，然后是鋁離子、鎂離子，鈣離子沒(méi)有沉淀。

【答案】（2）Fe3＋、Al3＋、Mg2＋ 。

3.考查混合物分離與提純操作

（1）固體與固體的分離

（2）固體與液體的分離

（3）液體與液體的分離

【例3】（2022年廣東高考卷節(jié)選）稀土（RE）包括鑭、釔等元素，是高科技發(fā)展的關(guān)鍵支撐。我國(guó)南方特有的稀土礦可用離子交換法處理，一種從該類礦（含鐵、鋁等元素）中提取稀土的工藝如下：

已知：月桂酸（C11H23COOH）熔點(diǎn)為44°C；月桂酸和（C11H23COO）3RE均難溶于水。該工藝條件下，稀土離子保持+3價(jià)不變；（C11H23COO）2Mg的Ksp=18×10-8，Al（OH）3開始溶解時(shí)的pH為88；有關(guān)金屬離子沉淀的相關(guān)pH見(jiàn)下表。

（1）①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產(chǎn)率，其原因是? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??。

②“操作X”的過(guò)程為：先? ? ? ? ? ? ? ??，再固液分離。

【解析】（1）①“加熱攪拌”有利于加快RE3+溶出、提高產(chǎn)率，其原因是加熱可以提高反應(yīng)物粒子運(yùn)動(dòng)速度，攪拌增加溶劑與溶質(zhì)的接觸面積，使溶出更徹底，提高溶出速度，提高產(chǎn)率；② “操作X”的結(jié)果是分離出月桂酸，由信息可知，月桂酸（C11H23COOH）熔點(diǎn)為44°C，故“操作X”的過(guò)程為：先冷卻結(jié)晶，再固液分離。

【答案】①加熱可以提高反應(yīng)物粒子運(yùn)動(dòng)速度，攪拌增加溶劑與溶質(zhì)的接觸面積，使溶出更徹底，提高溶出速度，提高產(chǎn)率 ②冷卻結(jié)晶

4.判斷工藝流程可循環(huán)物質(zhì)、副產(chǎn)品或?yàn)V渣濾液成分

在工藝流程中，某種物質(zhì)在流程前期加入后期又重新生成或?qū)⑻峒兒蟮哪敢涸俅渭兓倪^(guò)程都稱之為循環(huán)。

（1）循環(huán)物質(zhì)的確定

①?gòu)牧鞒虉D上看：箭頭回頭。②從物質(zhì)的轉(zhuǎn)化上看：在流程中加入的物質(zhì)，后續(xù)步驟中又會(huì)產(chǎn)生（在濾渣或?yàn)V液中尋找）。

（2）副產(chǎn)品的判斷

①?gòu)牧鞒虉D上看：支線產(chǎn)品。②從制備的目的上判斷：不是主產(chǎn)品；

（3）濾渣成分的確定；

①過(guò)量的反應(yīng)物。②原料中不參與反應(yīng)的物質(zhì)。③由原料轉(zhuǎn)化的生成物。④由雜質(zhì)轉(zhuǎn)化的沉淀物。

【例4】（2019年全國(guó)卷Ⅰ節(jié)選）硼酸（H3BO3）是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工藝。一種以硼鎂礦（含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3）為原料生產(chǎn)硼酸及輕質(zhì)氧化鎂的工藝流程如下：

回答下列問(wèn)題：

（4）在“沉鎂”中生成Mg（OH）2·MgCO3，母液經(jīng)加熱后可返回???? 工序循環(huán)使用。

【解析】由分析可知，母液加熱分解后生成硫酸銨溶液，可以返回“溶浸”工序循環(huán)使用。

【答案】溶浸

5.考查陌生化學(xué)（離子）方程式的書寫

陌生方程式的書寫基本思路：

【例5】（2023年廣東高考卷節(jié)選）Ni、Co均是重要的戰(zhàn)略性金屬。從處理后的礦石硝酸浸取液（含Ni2+、Co2+、Al3+、Mg2+）中，利用氨浸工藝可提取Ni、Co，并獲得高附加值化工產(chǎn)品。工藝流程如下：

已知：氨性溶液由NH3·H2O、（NH4）2SO3和（NH4）2CO3配制?；卮鹣铝袉?wèn)題：

（1）活性MgO可與水反應(yīng)，化學(xué)方程式為? ? ? ? ? ? ? ?。

（2）“氨浸”時(shí)，由Co（OH）3轉(zhuǎn)化為［Co（NH3）6］2+的離子方程式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ??。

【解析】活性MgO可與水反應(yīng)，化學(xué)方程式為MgO+H2O=Mg（OH）2； “氨浸”時(shí)，Co（OH）3與亞硫酸根發(fā)生氧化還原反應(yīng)，再與氨水反應(yīng)生成［Co（NH3）6］2+，則由Co（OH）3轉(zhuǎn)化為［Co（NH3）6］2+的離子方程式為2Co（OH）3+12NH3·H2O+SO2-3=2［Co（NH3）6］2++SO2-4+13H2O+4OH-或2Co（OH）3+8NH3·H2O+4NH+4+SO2-3=2［Co（NH3）6］2++SO2-4+13H2O

【答案】（1）MgO+H2O=Mg（OH）2

（2）2Co（OH）3+12NH3·H2O+SO2-3=2［Co（NH3）6］2++SO2-4+13H2O+4OH-或2Co（OH）3+8NH3·H2O+4NH+4+SO2-3=2［Co（NH3）6］2++SO2-4+13H2O

6.考查Ksp計(jì)算

化工流程中常常需要控制條件進(jìn)行離子的分離或除雜從而產(chǎn)生難溶電解質(zhì)，關(guān)于難溶電解質(zhì)高考中命題方向包括通過(guò)溶度積常數(shù)計(jì)算溶液中金屬離子的濃度、離子完全沉淀時(shí)的pH、判斷廢水排放是否符合標(biāo)準(zhǔn)、沉淀完全轉(zhuǎn)化時(shí)所需離子濃度。

（1）已知pH值判斷是否析出沉淀：

解題思路：

已知pH值pH=-lgc（H+）c（H+）=10-pHKW=c（H+）·c（OH-）c（OH-）.→求出Qc比較Qc與Ksp大小判斷是否析出沉淀

（2）求離子濃度或pH值及調(diào)控范圍：

對(duì)于：M（OH）n（s）Mn+（aq）+nOH-（aq）

解題思路：

已知c（Mn+）Ksp=c（Mn+）·cn（OH-）求出

c（OH-）KW=c（H+）·c（OH-）

求出c（H+）→pH=-lgc（H+）。

【例6】（2021年廣東高考卷節(jié)選）對(duì)廢催化劑進(jìn)行回收可有效利用金屬資源。某廢催化劑主要含鋁（Al）、鉬（Mo）、鎳（Ni）等元素的氧化物，一種回收利用工藝的部分流程如下：

已知：25℃時(shí)，H2CO3的Ka1=4.5×10-7，Ka2=4.7×10-11；Ksp（BaMoO4）=3.5×10-8；Ksp（BaCO3）=2.6×10-9；該工藝中，pH>6.0時(shí)，溶液中Mo元素以MoO2-4的形態(tài)存在。

（1）“沉鉬”中，pH為7.0。生成BaMoO4的離子方程式為? ? ? ? ? ???。若條件控制不當(dāng)，BaCO3也會(huì)沉淀。為避免BaMoO4中混入BaCO3沉淀，溶液中c（HCO-3）：c（MoO2-4）=? ? ? ? ?? ?（列出算式）時(shí)，應(yīng)停止加入BaCl2溶液。

【解析】濾液Ⅱ中含有鉬酸鈉，加入氯化鋇溶液后生成BaMoO4沉淀，該反應(yīng)的離子方程式為MoO2-4+Ba2+=BaMoO4↓。若開始生成BaCO3沉淀，則體系中恰好建立如下平衡：HCO-3+BaMoO4BaCO3+MoO2-4+H+，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為：K=c（H+）·c（MoO2-4）c（HCO-3）

=c（H+）·c（CO2-3）·c（MoO2-4）·c（Ba2+）c（HCO-3）·c（CO2-3）·c（Ba2+）

=Ka2·Ksp（BaMoO4）Ksp（BaCO3）。

為避免BaMoO4中混入BaCO3沉淀，必須滿足c（H+）·c（MoO2-4）c（HCO-3）≤Ka2·Ksp（BaMoO4）Ksp（BaCO3），由于“沉鉬”中pH為70，c（H+）=1×10-7mol/L，所以溶液中c（MoO2-4）c（HCO-3）=Ka2·Ksp（BaMoO4）1×10-7mol/L×Ksp（BaCO3）時(shí)，開始生成BaCO3沉淀，因此，c（HCO-3）：c（MoO2-4）=1×10-7mol/L×Ksp（BaCO3）Ka2·Ksp（BaMoO4）=1×10-7mol/L×2.6×10-94.7×10-11×3.5×10-8時(shí)，應(yīng)停止加入BaCl2溶液。

【答案】MoO2-4+Ba2+=BaMoO4↓

1×10-7mol/L×2.6×10-94.7×10-11×3.5×10-8。

7.考查圖像圖表的數(shù)據(jù)分析

解決圖像題的基本思路：

（1）識(shí)圖：一看面、二看線、三看點(diǎn)（弄清縱、橫坐標(biāo)的含義；弄清起點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn)的含義；看清曲線的變化趨勢(shì)）。

（2）析數(shù)：分析數(shù)據(jù)、圖像中隱含的信息，弄清各數(shù)據(jù)的含義及變化規(guī)律，將數(shù)據(jù)和圖像信息加工成化學(xué)語(yǔ)言，同時(shí)聯(lián)系化學(xué)概念、化學(xué)原理等理論知識(shí)進(jìn)行分析解答。

【例7】（2022年湖南高考卷節(jié)選）鈦（Ti）及其合金是理想的高強(qiáng)度、低密度結(jié)構(gòu)材料。以鈦渣（主要成分為TiO2，含少量V、Si和Al的氧化物雜質(zhì)）為原料，制備金屬鈦的工藝流程如下：

已知“降溫收塵”后，粗TiCl4中含有的幾種物質(zhì)的沸點(diǎn)：

回答下列問(wèn)題：

（1）已知ΔG=ΔH-TΔS，ΔG的值只決定于反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)，忽略ΔH、ΔS隨溫度的變化。若ΔG<0，則該反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。根據(jù)下圖判斷：600℃時(shí)，下列反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行的是? ? ? ? ? ? ?。

A.C（s）+O2（g）=CO2（g）

B.2C（s）+O2（g）=2CO（g）

C.TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+O2（g）

D.TiO2（s）+C（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+CO2（g）

【解析】A.由圖可知，600℃時(shí)C（s）+O2（g）=CO2（g）的ΔG<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故A不符合題意；B.由圖可知，600℃時(shí)2C（s）+O2（g）=2CO（g）的ΔG<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故B不符合題意；C.由圖可知，600℃時(shí)TiO2（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+O2（g）的ΔG>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，故C符合題意；D.根據(jù)蓋斯定律，TiO2（s）+C（s）+2Cl2（g）=TiCl4（g）+CO2（g）可由①+③得到，則600℃時(shí)其ΔG<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故D不符合題意；故選C。

【答案】C

8.考查化工流程的評(píng)價(jià)

對(duì)工藝流程的評(píng)價(jià)方向包括：

（1）綠色化學(xué)思想：杜絕環(huán)境污染、原子的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約能源，包括使用催化劑。

（2）高效節(jié)能、控制成本思想：原料來(lái)源廣、最好是可再生的，或可循環(huán)利用的、減少工藝的繁瑣性，化繁為簡(jiǎn)。

（3）工藝、設(shè)備的安全性。

【例8】（2019年全國(guó)卷節(jié)選）咖啡因是一種生物堿（易溶于水及乙醇，熔點(diǎn)234.5 ℃，100 ℃以上開始升華），有興奮大腦神經(jīng)和利尿等作用。茶葉中含咖啡因約1%～5%、單寧酸（Ka約為10-4，易溶于水及乙醇）約3%～10%，還含有色素、纖維素等。實(shí)驗(yàn)室從茶葉中提取咖啡因的流程如下圖所示。

（1）與常規(guī)的萃取相比，采用索氏提取器的優(yōu)點(diǎn)是? ? ? ? ? ? ?。

（2）提取液需經(jīng)“蒸餾濃縮”除去大部分溶劑，與水相比，乙醇作為萃取劑的優(yōu)點(diǎn)是? ? ? ? ??。

【解析】根據(jù)題干中的已知信息可判斷與常規(guī)的萃取相比較，采用索式提取器的優(yōu)點(diǎn)是使用溶劑量少，可連續(xù)萃?。ㄝ腿⌒矢撸?；乙醇是有機(jī)溶劑，沸點(diǎn)低，因此與水相比較乙醇作為萃取劑的優(yōu)點(diǎn)是乙醇沸點(diǎn)低，易濃縮；

【答案】（1）使用溶劑少，可連續(xù)萃?。ㄝ腿⌒矢撸? （2）乙醇沸點(diǎn)低，易濃縮

責(zé)任編輯 李平安