大数据建模化学流程分析

【高考化学·考试大纲】(1)以真实的化工生产过程为研究对象,借助相关资料对化工生产的原理、流程进行复原和模拟。(2)从试题提供的新信息中,准确地提取实质性内容,并与已有知识整合重组为新知识的能力。(3)将实际问题分解,通过运用相关知识,采用分析综合的方法解决简单化学问题的能力。(4)将分析和解决问题的成果用化学用语及文字、图表、模型、图形等表达,并作出解释的能力。

●分离方法的选择

1.[15 全国Ⅱ.26]有关数据下图所示:溶解度(g/100g水)某溶液中的主要成分有氯化锌和氯化铵,两者可以通过______________分离回收。

2.[17 全国Ⅲ,27]有关物质的溶解度如图所示。

向Na2Cr2O7的溶液中加入适量KCl,蒸发浓缩,冷却结晶,过滤得到K2Cr2O7固体。冷却到________(填字母序号)得到的K2Cr2O7固体产品最多。

a.80℃　b.60℃　c.40℃　d.10℃

该反应类型是______________。

●化学反应

3.[17 全国Ⅰ,27]流程“FePO4LiFePO4”的化学方程式。

4.[16 全国Ⅰ,28]一种生产NaClO2的工艺如下:

(1)写出“反应”步骤中生成ClO2的化学方程式______________________________。

(2)“电解”中阴极反应的主要产物是______。

(3)“尾气吸收”是吸收“电解”过程排出的少量ClO2。此吸收反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为________,该反应中氧化产物是_________。

5.[16 全国Ⅱ,36]生产双氧水常采用蒽醌法,其反应原理如下图所示:

(1)蒽醌法制备双氧水理论上消耗的原料是________________,循环使用的原料是____________,配制工作液时采用有机溶剂而不采用水的原因是______________________。

(2)第一步氢化反应的化学方程式为____________________________________________。

6.[15 全国Ⅱ.28]实验室用NH4Cl、盐酸、NaClO2(亚氯酸钠)为原料,通过以下过程制备ClO2(黄绿色易溶于水的气体):

(1)电解时发生反应的化学方程式为________________________________________。

(2)溶液X中大量存在的阴离子有__________。

(3)除去ClO2中的NH3可选用的试剂是(　)

a.水　b.碱石灰　c.浓硫酸　d.饱和食盐水

●反应原理分析

7.[17 全国Ⅱ,26]水泥的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是_______________________________,还可使用___________代替硝酸。

8.[17 全国Ⅱ,26]向含Fe3+、Al3+的滤液中加氨水调节pH4～5,并加热,生成沉淀;加氨水调,并加热的目的是____________________________________。沉淀的主要成分为________、________(填化学式)。

9.[16 全国Ⅰ,36]以软锰矿(主要成分为MnO2)为原料生产高锰酸钾的工艺路线如下:

(1)原料软锰矿与氢氧化钾按1∶1的比例在“烘炒锅”中混配,混配前应将软锰矿粉碎,其作用是______________________________。

(2)“平炉”中发生的化学方程式为。

(3)“平炉”中需要加压,其目的是。

(4)将K2MnO4转化为KMnO4的生产有两种工艺。

①“CO2歧化法”是传统工艺,即在K2MnO4溶液中通入CO2气体,使体系呈中性或弱碱性,K2MnO4发生歧化反应,反应中生成KMnO4,MnO2和(化学式)。

②“电解法”为现代工艺,即电解K2MnO4水溶液,电解槽中阳极发生的电极反应为,阴极逸出的气体是。

③“电解法”和“CO2歧化法”中,K2MnO4的理论利用率之比为。

10.[18 全国Ⅲ,27]利用“KClO3氧化法”制备KIO3工艺流程如下图所示:

“酸化反应”所得产物有KH(IO3)2、Cl2和KCl。“逐Cl2”采用的方法是________。“滤液”中的溶质主要是_______。“调pH”中发生反应的化学方程式为_______________________________________________________。

一、化工流程中常见的基础操作与目的

1.浸取或浸出:使原料中可溶性的物质或离子进入溶液。有时加酸进行酸溶或酸浸。浸取时采用加热,加快物质的溶解,(目的)提高浸出率。

2.加酸:(1)酸洗:常指除铁锈、去金属表面的氧化物薄膜;(2)溶解金属、调节pH促进水解(生成沉淀)。

3.加碱:(1)碱洗:常指除油污、去铝片上的氧化膜。(2)溶解铝、SiO2,调节pH促进水解生成(沉淀)。

4.加酸、碱性物质:调节pH值,促进水解或生成沉淀。如加入CuO、Cu(OH)2、CuCO3、Cu2(OH)2CO3调节溶液的pH值以除去Cu2+中Fe3+。

5.加氧化剂:氧化物质,使其转化为易于被除去的离子,如加入H2O2将Fe2+转化为Fe3+。

二、反应条件的控制

1.调节溶液的pH值:控制离子的存在形式,或使某些金属离子形成氢氧化物沉淀出来。如Fe3+、Cu2+的分步沉淀。

2.酸化:加入酸(硫酸、硝酸等)使溶液呈一定的酸性,利于在酸性环境中才能进行的反应。

3.★加入过量试剂：①让物质充分反应。②生成不能再反应的产物，如向碱性溶液中通入过量的CO2,最终得到HCO-3,而不是CO2-3;又如CuO与过量的碳混合物加热，最终氧化产物为CO,而不是CO2;③过量物质将成为产物的一种剩余成分，如向CuSO4溶液中加入过量的铁粉，充分反应后过滤，滤渣的成分为铜和铁粉。

4.溶液加热或煮沸:促进水解,聚沉后增加沉淀的颗粒度利于过滤分离;除去溶解在溶液中的气体(如CO2、O2)。

5.在某气流中蒸发:(1)在氯化氢的气流中蒸发:例如要从易于水解的盐酸盐FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶液中得到无水固体溶质,需在HCl气流中蒸发,其目的是防止加热时盐水解。否则蒸发和灼烧后得到的产物分别是Fe2O3、Al2O3、MgO。(2)在惰性气体的气流中反应,以隔绝空气,防止氧化。

6.重结晶:一般是指根据物质的溶解度随温度变化的不同，通过溶解和结晶等操作，进一步提纯物质的过程。

【考型1】化工流程中的信息读审题与信息反应

1.[15 山东,29]利用钴渣[含Co(OH)3、Fe(OH)3等]制备钴氧化物的工艺流程如下:

Co(OH)3溶解还原反应的离子方程式为________________________________________________。

【考型2】调节pH值除杂的分离提纯操作

2-1.[重庆高考]为分析某铜合金的成分,用酸将其完全溶解后,用NaOH溶液调pH,当pH=3.4时开始出现沉淀,分别在pH为7.0、8.0时过滤沉淀。结合下图信息推断，该合金中除铜外一定含有。

2-2.[16 江苏,19]实验室以一种工业废渣(主要成分为MgCO3、Mg2SiO4和少量Fe、Al的氧化物)为原料制备MgCO3·3H2O。实验过程如下:

请补充完整由萃取后得到的水溶液制备：MgCO3·3H2O的实验方案:边搅拌边向溶液中滴加氨水,__________________________________________________________________________________,过滤、用水洗涤固体2～3次,在50℃下干燥,得到MgCO3·3H2O[已知该溶液中pH=8.5时Mg(OH)2开始沉淀;pH=5.0时Al(OH)3沉淀完全]。

【考型3】控制温度结晶的分离提纯操作

3.[16 北京,27]PbO溶解在NaOH溶液中,存在平衡:PbO(s)+NaOH(aq)NaHPbO2(aq),其溶解度曲线如图所示。结合上述溶解度曲线,简述将粗PbO提纯为纯PbO的操作:______________________________。

【考型4】化工流程中的温度控制与效率顶点分析

4.[17 全国Ⅰ,27]TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40min所得实验结果如下表所示:

分析40℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因_____________________________________________。

【考型5】化工流程中的反应原理

5.[16 北京,27][双选]某工作流程的部分流程如下:

过程Ⅱ的目的是脱硫。滤液I经处理后可在过程Ⅱ中重复使用,其目的是(　)

A.减少PbO的损失,提高产品的产率

B.重复利用NaOH,提高原料的利用率

C.增加Na2SO4浓度,提高脱硫效率

培养理解题的能力

做好化工流程图题,读审题是关键,而理解关键词则是引导思维导向的指南,今后对知识的要求将会逐渐降低,对能力的培养的要求就将显得更为重要;读懂关键词和理解关键词,比读出关键词更为重要!

(1)理解命题人的意图:事物是一分为二的,一步操作可能有正向和逆向的两面性,因此,解题思维要正向符合“意图”。①按意图因势分析:例如用氨水调节pH值使溶液中的Al3+生成沉淀除去。题目认为“加热”有利于反应,正向思维结论为:加热促进Al3+水解利于生成沉淀,或得到颗粒状沉淀有利于过滤。如果题目认为反应过程中不能“加热”,则思维结论为:加热使氨气逸出,降低了原料的利用率等。在高考模拟练习中,出现这种前后完全不同的结论就能够理解。又如“不宜过多”意为过量试剂会对后续反应造成不利影响。②按意图分析本质找原因:例如在盐酸溶解金属后再加入硝酸,加入硝酸只能是应用硝酸的氧化性,由此分析,加硝酸的目的使将溶液中的Fe2+氧化为Fe3+。③按题意找相关信息:如控制pH值(找pH值相关的沉淀表分析),控制温度结晶(找溶解度曲线分析)。(www.xing528.com)

(2)理解答题的限定:在复杂的物质或反应中,试题常常会限制在范围内讨论,使复杂问题简单化。如生成某种物质的反应,或其中被氧化的反应。

一、化工流程推断中信息反应的书写

化工流程中信息反应方程式的书写与“无机信息化学方程式的书写(详见专题11)”相似,不同的是确定反应物和生成物的信息多数情况下是通过流程图中的信息来分析,注意下列方法:

1.以元素守恒为依据确定元素在流程中的去向,分析中注意元素存在的物质形式(酸、碱、盐及其氧化物等)及其价态变化,确定是发生氧化还原反应还是非氧化还原反应。

2.根据加入物质的性质(氧化剂、还原剂、沉淀剂、调节pH值等)分析反应的实质。

3.结合流程目的,对流程进行顺推和逆推,确定各反应物和生成物。

4.通过分离操作来确定物质的性质和状态,如过滤是分离液体与固体,分液是分离互不相溶的两种液体等。

二、试剂的选择

1.调节pH值除杂的分离提纯操作

由于一些金属离子的水解程度不同,可以用调节pH值的方法使金属离子生成氢氧化物沉淀分离出去。调节pH值的试剂要能与酸中和,例如NaOH、NaHCO3、CaO、NH3等。也可以根据金属离子水解程度的差异,选择相应的金属氧化物、金属氢氧化物或金属碳酸盐等来调节pH值,使溶液中的金属离子生成碱性更弱和更难溶的金属氢氧化物沉淀,用这种方法解题的特征是一般试题会给出一些离子完全沉淀或开始沉淀的pH值数据。例如:在Mg2+的溶液中分别沉淀:Fe3+、Cu2+、Fe2+等。

调节pH值由低到高,常见金属氢氧化物的沉淀顺序:

(1)★有Fe2+时，几乎都会先选择氧化剂(如H2O2)将Fe2+氧化成Fe3+后，再调节pH值生成Fe(OH)3沉淀除去。否则,由于Cu2+、Zn2+两者沉淀的pH值相近,沉淀时Cu2+、Zn2+、Fe2+将会同时沉淀出来。

(2)沉淀的pH值范围：pH(应完全沉淀的金属离子)～pH(将开始沉淀的金属离子)；见上流程示意内容。

(3)生成金属氢氧化物沉淀的几种分析思路

①原理解释：常用促进完全水解的方式解释生成的沉淀。例如：Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+,加入CuO消耗水解生成的H+,从而促进Fe3+完全水解生成Fe(OH)3沉淀。②写出总反应方程式：2Fe3++3CuO+3H2O2Fe(OH)3+3Cu2+。③加入CuO调节pH值到3.7，使Fe3+生成Fe(OH)3沉淀。

2.沉淀除杂的其他方法

（1）用生成难溶金属硫化物的方式除金属：例如生成ZnS、CuS、NiS等。

（2）水解成难溶碳酸盐的方式除金属离子：例如用NH4HCO3沉锰：Mn2++2HCO3-==MnCO3↓+CO2↑+H2O（3）沉淀转化的方法：用BaCO3转化成BaSO4除SO42-（4）萃取的方法：用加有机物萃取Fe3+、Ni2+后分液。

3.应用H2O2的几点注意

(1)试剂作用：氧化剂或还原剂。(2)温度条件：反应温度过高容易分解，所以，温度不能过高；另一方面，过量的H2O2用加热可以除去。(3)环保影响：生成产物是水不引入杂质，故称为绿色氧化剂。(4)影响物质：MnO2、Cu2+、Fe3+对H2O2分解有催化作用。(5)作氧化剂反应后，溶液的pH值将增加。

三、结晶提纯方法及其操作

1.根据不同物质在不同温度下溶解度的差异,进行结晶分离提纯的方法

溶解度随温度变化较大的物质，如KNO3常用降低温结晶的方法。溶解度随温度变化不大的物质，如NaCl常用蒸发结晶的方法。根据溶解度随温度变化的不同,将溶液中不同溶质分离提纯的一般操作流程:

冷却结晶是提纯溶解度随温度变化较大的物质。

例如:分离提纯KNO3的方法

蒸发结晶主要目的是得到固体溶质,如海水晒盐;要从溶液中得到含有结晶水合物的晶体时,常用冷却结晶的方法,蒸发结晶常会失去结晶水。

2.结晶分离和对沉淀的系列操作

(1)趁热过滤:①获得加热条件下析出的固体,趁热过滤以防止降温时其他物质析出致产品不纯;②获得加热条件下的饱和液体,趁热过滤除去其他物质。

(2)冷却结晶:当物质的溶解度随温度变化较大时,常用冷却结晶的方法得到大部分的溶质。

(3)沉淀是否完全的检验:①溶液为少量时,将生成的沉淀液静置,往上层清液中继续滴加沉淀剂,观察是否再产生沉淀,如不沉淀,说明沉淀完全。②有大量溶液时,将生成的沉淀液过滤,取少许滤液于试管中,滴加沉淀剂,振荡,观察是否有沉淀产生。

(4)洗涤沉淀:①目的是洗去晶体(或沉淀)表面吸附的可溶性杂质离子;洗涤操作(答题模板):向漏斗中加入蒸馏水至浸没沉淀,待水自然流下后,重复以上操作2～3次。②目的为提高滤液中溶质的回收率,或对溶质成分的定量测定，需对滤渣进行洗涤,并将洗涤后的滤液合并入过滤的滤液中。

(5)沉淀洗净的检验:取最后一次洗涤液少量于试管中,加试剂检验杂质含量最多的离子（或最易检验的离子）如果未检出,表明已洗涤完全。

(6)洗涤试剂的选择:用水(洗涤可溶性杂质)、冰水(降低晶体的溶解)、75%的酒精(减少晶体的溶解,溶解晶体中的水分),或用含晶体溶质的饱和溶液,其目的:①尽可能地降低被洗晶体或沉淀的溶解损耗,提高其产量或产率;②洗涤液易挥发。

(7)干燥:有烘干、低温烘干、晾干。对含有结晶水的物质或受热易分解的物质,一般采用滤纸吸干、减压干燥或低温干燥等方法。

(8)重结晶:所得结晶粗品,需进一步提纯晶体的方法。

3.用结晶的方法制取物质

根据溶解度小的溶质优先析出的原理,用结晶或降温结晶的方法来现实物质的制取。例如：室温下,向NaClO3溶液中加入KCl,可制得KClO3晶体。NaClO3+KCl==KClO3(晶体)+NaCl,属于复分解反应，其原因是常温下,KClO3的溶解度小于其他几种物质;这也是化学药品常见KClO3,而少见NaClO3试剂的原因。

4.液体产品的分离提纯方法

(1)蒸馏或分馏:分离沸点相差比较大的液体混合物的方法。

(2)分液:两种互不相溶,密度不同的液体或液体混合物之间的分离。溶解度和密度相差越大分离效果越好。常用于有机溶剂与水溶液之间的分离。

5.操作的作用

化工操作的作用分析常从相邻的前或后的两个操作方面分析:(1)消除上步的影响:例如在前面加入了过量的除杂试剂,在后续步骤中就必需除去,又例如多步洗涤沉淀,碱洗→水洗→醇洗,分别是消除上步产生的影响。(2)为后面的操作创设条件,例如加入乙醇降低物质的溶解度,使下一步的结晶中得到更多的晶体。

四、化工流程中的温度控制与效率顶点

1.温度控制点

(1)蒸馏时控制温度:如Br2的制取过程中,出溴口的温度控制在80℃～90℃,目的是使Br2挥发出来同时减少水蒸汽混入Br2中。(2)使催化剂的活性最高:如工业合成氨或二氧化硫的催化氧化反应中,选择的温度是500℃左右,原因之一就是使催化剂的活性达到最高。(3)防止副反应发生:如乙醇的消去反应温度要控制在170℃,原因是140℃时会有乙醚生成。

2.温度变化与效率极点的分析

随反应温度的升高,转化率出现“先升后降”,答题常分三段讨论:随温度的升高,转化率升高的原因或影响;转化率降低的原因或影响,选择温度常为极值点时的温度点或就近范围。

(1)加热有利的原因:①加快反应速率(或溶解速率)。②促进平衡向吸热方向移动,提高其转化率。③除杂(分解除去热稳定性差的物质或易升华的某物质;如用煮沸的方法除去反应后过量的H2O2。④煮沸赶出溶液中的气体:如CO2、O2、NH3等。⑤促进生成气体物的挥发,使平衡向正反应方向移动。⑥促进水解使其生成氢氧化物沉淀除去,或水解除杂。

(2)温度不宜过高的原因:①防止温度过高时导致物质的分解:如H2O2、Ca(HCO3)2、HNO3(浓)。②减少气体反应物的溶解;如通入CO2、Cl2气体的反应。③防止反应物的挥发,如有盐酸、NH3参与的反应,降低转化率。④防止发生水解反应,使溶液变浑浊。⑤防止发生副反应:如Cl2与NaOH溶液反应,加热生成NaCl和NaClO3。

(3)降温对操作的影响:①液化分离:冰水冷却,使某沸点低的气态物质液化,实现与其他气体的分离。②降低溶解度,有利于更多晶体的析出。③冰水洗涤,减少晶体的溶解。

五、化工流程中的反应原理

化工生产选择条件的目的:(1)加快反应速率,提高单位时间的生产效率。(2)提高产率或转化率,反应进行的程度。主要考查外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律。有如下原则:

①大反应物的接触面积:如研磨、粉碎、搅拌等对固体表面的处理,逆流操作(两种液体以相向的方向流动,冷凝管中冷却水的下进上出);气体在吸收时用多孔气泡吸收器。增大反应物的接触面积,可以加快反应速率。

②增大某种反应物(浓度):提高反应速率。可逆反应中,使廉价原料适当过量,以提高另一原料的利用率。

③增大压强:使化学平衡向气体体积减小的正反应方向移动,以提高原料的转化率。

④在有机溶剂中反应:反应物不溶于水,易溶于有机溶剂时,常采用在有机溶剂中反应,均相反应速率大于异相反应速率。

答题模板:直接影响+最终目的。

六、绿色化学理念与环境保护

绿色环境理念常常是原理上可行,但实际上并不选用的原因之一。

1.安全问题:减少污染物的排放(三废处理)。生产的安全性(防泄漏、防污染、防爆炸、可燃性气体的验纯)。

例如：以HNO3作氧化剂时会释放出氮氧化物(或NO、NO2)气体,造成环境污染,这个缺点常会在评价之中出现。

2.物质循环利用、副产物回收利用、原子利用率、能量充分利用。

3.可持续发展:原料的来源要考虑是否丰富,经济适用——对综合生产效益有何影响。

4.成本问题:生产设备简单、生产工艺简便;可行等工艺生产问题——设备维护。

七、考试中的独立问题得分法则

化工流程图看似复杂,但常常是一些起点高落点低的题目,和大量常考问题的组合,考试中要尽量得分:(1)很多问题都是各自独立,无连带效应,一个问题解决不了不会影响下一个问题的解决,既是不能完全搞懂题意也能答题。(2)填空中都有与流程图无关的问题,可以直接根据已有的知识去完成,争取多得分。如洗涤沉淀。