無機化工流程圖題的突破策略

高細堂

化學(xué)工藝流程題就是將化工生產(chǎn)中的主要生產(chǎn)階段即生產(chǎn)流程用框圖形式表示出來，并根據(jù)生產(chǎn)流程中涉及的化學(xué)知識進行巧妙設(shè)問，與化工生產(chǎn)緊密聯(lián)系的試題。根據(jù)“化學(xué)工藝流程題”的特點，要準(zhǔn)確、順利地解題，除了要掌握高中化學(xué)必備的知識外，最關(guān)鍵的是要具備“化學(xué)工藝流程題”的解題思路和掌握一些解題方法技巧。

化工流程題是近年高考的熱點，也是一個難點，結(jié)合近幾年的教學(xué)，談?wù)剮c解題策略。

首先，粗讀題干，挖掘圖示，看首尾即可，首即原料是什么，尾即產(chǎn)物是什么。因為同一原料，流程不同，產(chǎn)品也不同。流程中有一規(guī)律，即產(chǎn)品中所含金屬為主物質(zhì)，其余金屬在流程中均為雜質(zhì)，在流程中依次被除去。切記盡量不看流程，因為流程是難點，我們先不去碰他，這是避開難點。什么時候看流程呢，當(dāng)你解小題時要用到流程時，再去看這一段的流程，也不是看整個流程，只是看片段。

其次，如果非要看流程，則化工流程題目在流程上一般分為3個過程：

原料處理階段的常見考點是：

①增加接觸面積，加快反應(yīng)速率；

②溶解：通常用酸溶，如用硫酸、鹽酸、濃硫酸等；

水浸：與水接觸反應(yīng)或溶解。

分離提純階段的常見步驟：

調(diào)pH值除雜：調(diào)pH值的目的就是除Fe■和Al■；

已知下列物質(zhì)開始沉淀和沉淀完全時的pH如下表所示：

從中可知，F(xiàn)e■沉淀完全時pH為3.7，Al■為5.6，其余離子沉淀完全時的pH均大于7，因此大多數(shù)流程中都有這一過程，除去鐵雜質(zhì)，首先溶解，接著加氧化劑把Fe■氧化成Fe■，再通過調(diào)節(jié)pH把Fe■除掉，從而除去鐵雜質(zhì)。

怎么判斷哪個步驟是調(diào)節(jié)pH，這很有技巧，因為這跟最終產(chǎn)物有關(guān)，所以調(diào)節(jié)pH這步流程選擇的是：含最終產(chǎn)物金屬的氧化物，難溶性堿，含最終產(chǎn)物金屬的碳酸鹽，以及氨水等。舉個例子，如果最終產(chǎn)物是CuSO■，那么調(diào)節(jié)pH選擇是CuO 或Cu（OH）■或CuCO■或氨水。

分離提純階段常見的題型有以下幾種：

第一類題目是問你操作步驟。操作步驟無非是物質(zhì)分離，有四種情況：一是難溶于水的固體跟水分離或晶體跟溶液分離采用過濾，二是兩種互不相溶的液體分離采用分液，三是幾種互溶的液體分離或是沸點相差較大的固體分離采用蒸餾或分餾，四是把溶液中的溶質(zhì)和溶劑分離采用蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶。

第二類題目是未知的化學(xué)方程式或離子方程式或電極反應(yīng)，這類題目考查很多，應(yīng)用三個守恒足可解題。但有一點需注意，解題先后順序一定不能變，首先第一步是電子守恒，接下來第二步電荷守恒，第三步原子守恒。

例1：（2011，福建高考，23（6））在某強酸性混合稀土溶液中加入H■O■，調(diào)節(jié)PH≈3，Ge■通過下列反應(yīng)形成Ge（OH）■沉淀得以分離。完成反應(yīng)的離子方程式：

□Ge■+□H■O■+□H■O=□Ge（OH）■↓+□？搖？搖？搖？搖 ？搖。

解題：第一步，電子守恒。Ge的化合價從+3價升高到+4價，升高一價，失一個電子，從左邊看，只能是H■O■中的-1價的O降價到-2價。因為一個H■O■中有2個-1價的O，所以一個H■O■應(yīng)該降了2價，得2個電子，所以Ge■要2個，Ge■前面的系數(shù)為2，H■O■要一個，H■O■前面的系數(shù)為1。因此得到離子方程式為：2Ge■+H■O■+□H■O=2Ge（OH）■↓+□？搖？搖？搖 ？搖？搖。

第二步，電荷守恒。先看反應(yīng)物中的H■O■、H■O不帶電荷，2個Ge■帶6個單位正電荷，生成物中Ge（OH）■也不帶電荷，因此有兩種情況：其一，左邊加6個OH■，其二，左邊不加，右邊加6個H■。從此題題干中可知PH≈3，呈酸性，應(yīng)該是第二種情況。所以得到的離子方程式為：

2Ge■+H■O■+□H■O=2Ge（OH）■↓+6H■。

第三步，原子守恒。分析等號左右兩邊的各原子個數(shù)，得左邊應(yīng)是6個H■O。從而得到最終的離子方程式為：2Ge■+H■O■+6H■O=2Ge（OH）■↓+6H■。

總結(jié)：通過該題的解答，我們不難看出解題的關(guān)鍵是第二步電荷守恒，若第一步應(yīng)用電子守恒所得的離子方程式左、右兩邊已電荷守恒，則不需要再加離子。若第一步應(yīng)用電子守恒所得的離子方程式左、右兩邊電荷不守恒，則不是加H■就是加OH■。到底加哪種離子，跟環(huán)境相關(guān)，若為堿性介質(zhì)則加OH■，若為酸性介質(zhì)則加H■。

例2：工業(yè)上用電解鹽酸來生產(chǎn)高氯酸（HClO■），電解時用鉑做陽極，銀或銅做陰極，在陽極區(qū)可得到濃度達20%的高氯酸，寫出陽極的電極反應(yīng)式。

解題：第一步電子守恒，因為在陽極區(qū)，發(fā)生失電子的反應(yīng)，所以應(yīng)該是Cl■變成ClO■■，Cl元素從-1價升高到+7價，升8價，失8個電子，因此得出的反應(yīng)式為：Cl■―8e■→ClO■■

接下來第二步電荷守恒，左邊Cl■是一個單位負電荷，―8e■是8個單位正電荷，所以左邊是7個單位正電荷，右邊ClO■■是一個單位負電荷，所以有兩種選擇，要么左邊加8個OH■，要么右邊加8個H■，根據(jù)題意原來是鹽酸溶液，所以應(yīng)該加H■，因此得到反應(yīng)式為：Cl■―8e■→ClO■■+8H■

第三步原子守恒，根據(jù)H原子守恒，左邊加4H■O，不能加H■，因為加H■，電子不守恒，也不能加氫離子，因為加氫離子，電荷不守恒，所以只能加H■O。由此不難看出，運用三個守恒的順序不能顛倒。最后用O來檢驗是否守恒，如果O原子守恒就正確，否則就錯誤，從而得出最終陽極反應(yīng)式為：Cl■+4H■O―8e■=ClO■■+8H■。

綜上所述，運用3個守恒的關(guān)鍵是先后順序問題，也就是說第一步一定是用電子守恒，確定發(fā)生電子得失的化學(xué)式前的系數(shù)，第二步一定是電荷守恒，有時候還要考慮到底要不要加H■或OH■加哪邊，是由環(huán)境決定的，酸性環(huán)境加H■，堿性環(huán)境加OH■。最后一步是原子守恒，原子守恒一般是補水，從而避免考慮多數(shù)題目中會出現(xiàn)的“加H■O加哪邊”這個難點。而且H■O不要先寫，因為左右兩邊的H■O有可能消去，因此H■O一定要放在最后寫。

第三類題型問你濾液成分或可循環(huán)使用的物質(zhì)是誰，那么答案肯定在流程中，就是在流程中加入的物質(zhì)中找，流程的主要過程是一個除雜的過程，是一個把雜質(zhì)變成沉淀或氣體的過程，也就是說在這個過程中沒變成沉淀或氣體的離子就是濾液的主要成分。

第四類題型是有關(guān)Ksp的計算，Ksp的計算的核心是你要把已知的Ksp的公式列出，然后帶入計算。

例3：（2011福建24）四氯化鈦（TiCl■）是制取航天航空工業(yè)材料——鈦合金的重要原料，由鈦鐵礦（主要成分是FeTiO■）制備TiCl■等產(chǎn)品的一種工藝流程示意如下：

回答下列問題：

（1）往①中加入鐵屑至浸出液顯紫色，此時溶液仍呈強酸性。該過程中有如下反應(yīng)發(fā)生：

2Fe■+Fe=3Fe■

2TiO■（無色）+Fe+4H■=2Ti■（紫色）+Fe■+2H■O

Ti■（紫色）+Fe■+H■O=TiO■（無色）+Fe■+2H■

加入鐵屑的作用是？搖？搖 ？搖？搖？搖。

（2）在②→③工藝中需要控制條件以形成TiO■·nH■O溶膠，該分散質(zhì)顆粒直徑大小在？搖？搖 ？搖？搖？搖范圍。

（3）若把③中制得的固體TiO■·nH■O用酸清洗除去其中的Fe（OH）■雜質(zhì)，還可制得鈦白粉。已知25℃時，K■=2.79×10■，該溫度下反應(yīng)Fe（OH）■+3H■？葑Fe■+H■O的平衡常數(shù)K=？搖？搖？搖？搖？搖。

（4）已知：TiO■（s）+2Cl■（g）=TiCl■（l）+O■（g）？搖？搖△H=+140KJ·mol■

2C（s）+O■（g）=2CO（g）？搖？搖△H=—221KJ·mol■

寫出④中TiO■和焦炭、氯氣反應(yīng)生成液態(tài)TiCl■和CO氣體的熱化學(xué)方程式：？搖？搖？搖 ？搖？搖。

（5）上述工藝具有成本低、可用低品位礦物為原料等優(yōu)點。依據(jù)綠色化學(xué)理念，該工藝流程中存在的不足之處是？搖 ？搖？搖？搖？搖（只要求寫出一項）。

（6）依據(jù)右表信息，要精制含少量SiCl■雜質(zhì)的TiCl■，可采用？搖？搖 ？搖？搖？搖方法。

我們來解第（3）小題：K■=c（Fe■）×c■（OH■）=2.79×10■，25℃時，c（H■）×c（OH■）=Kw=1×10■；反應(yīng)Fe（OH）■+3H■？葑Fe■+H■O的平衡常數(shù)K=■=■=■=2.79×10■。由上可知，只要能代入已知的K■的表達式，那么就可解題了。

第五類題型是有關(guān)離子的檢驗，幾種常見的離子，如Fe■，F(xiàn)e■，SO■■的檢驗要特別關(guān)注。

例4：（2012高考題組合改編）工業(yè)上由黃銅礦（主要成分為CuFeS■）冶煉銅的主要流程如下：

（1）步驟Ⅰ是在反射爐中進行的。把黃銅礦和石英砂混合加熱到1000℃左右，黃銅礦與空氣反應(yīng)生成Cu和Fe的低價硫化物，且部分Fe的硫化物轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢r氧化物。該過程中兩個主要反應(yīng)的化學(xué)方程式分別是？搖？搖？搖？搖 ？搖。

（2）步驟Ⅱ是在轉(zhuǎn)爐中發(fā)生的。冰銅含Cu量為20%～50%。轉(zhuǎn)爐中，將冰銅加熔劑（石英砂），在1200℃左右吹入空氣進行吹煉。冰銅中的Cu■S被氧化為Cu■O。生成的Cu■O與Cu■S反應(yīng)，生成含Cu量約為98.5%的泡銅，該過程發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式分別是？搖？搖 ？搖？搖？搖、？搖？搖 ？搖？搖？搖。氣體A中的大氣污染物可選用下列試劑中的？搖？搖 ？搖？搖？搖吸收（填字母）。

a.濃硫酸 b.稀硝酸

c.NaOH溶液 d.氨水

（3）步驟Ⅲ是由泡銅冶煉粗銅的反應(yīng)，反應(yīng)方程式為？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖？搖。

（4）用稀硝酸浸泡熔渣B，取少量所得溶液，滴加KSCN溶液后呈血紅色，說明溶液中存在？搖？搖 ？搖？搖？搖（填離子符號），檢驗溶液中還存在Fe■的方法是？搖？搖 ？搖？搖？搖（注明試劑、現(xiàn)象）。

答案：（1）2CuFeS■+O■高溫，Cu■S+2FeS+SO■

2FeS+3O■高溫，2FeO+2SO■

（2）2Cu■S+3O■高溫，2Cu■O+2SO■

2Cu■O+Cu■S高溫，6Cu+SO■↑cd

（3）3Cu■O+2Al高溫，Al■O■+6Cu

（4）Fe■可取適量酸性KMnO■溶液置于試管中，滴入幾滴該溶液，若酸性KMnO■溶液退色或顏色變淺，則說明該溶液中含有Fe■。

解析：（1）根據(jù)問題（1）信息中的反應(yīng)物和生成物及氧化還原反應(yīng)的規(guī)律可寫出兩個化學(xué)方程式。

（2）氣體A中含有SO■，SO■是酸性氧化物，選用堿性溶液吸收。

（3）由泡銅制取粗銅，是Cu■O和Al發(fā)生氧化還原反應(yīng)，根據(jù)氧化還原反應(yīng)的配平方法進行配平可得化學(xué)反應(yīng)方程式為3Cu■O+2Al高溫，Al■O■+6Cu。

（4）向溶液中滴加KSCN溶液，溶液呈血紅色，可推知溶液中一定含有Fe■；要檢驗溶液中還含有Fe■，可利用其還原性，具體操作：取適量酸性KMnO■溶液置于試管中，滴入幾滴該溶液，若酸性KMnO■溶液退色或顏色變淺，說明該溶液中含有Fe■。

總結(jié)：工藝流程專題解題步驟：（1）瀏覽流程只看頭尾，明確目的，解決“干什么”。（2）馬上解題，回頭再細看要用到哪步流程。（3）啟用儲備的解題類型解決問題。以上內(nèi)容只是筆者對化工工藝流程題的一些粗淺認知，僅供參考。