淺談工藝流程題解法三攻略

山東 孫 晶

淺談工藝流程題解法三攻略

山東 孫 晶

工藝流程題以其新穎多樣的命題形式、囊括知識(shí)的多元化、知識(shí)緊扣工業(yè)實(shí)際的時(shí)效性一直活躍在高考舞臺(tái)上，此類題型是歷年高考命題的重點(diǎn)、熱點(diǎn)，也是同學(xué)們心中的一個(gè)難點(diǎn)題型，下面從常用的解法技巧予以剖析，期望對同學(xué)們有所啟迪。

1．首尾分析法

對一些線型流程工藝（從原料到產(chǎn)品為一條龍生產(chǎn)工序）試題，首先對比分析生產(chǎn)流程示意圖中的第一種物質(zhì)原材料與最后一種物質(zhì)產(chǎn)品，從對比分析中找出原料與產(chǎn)品之間的關(guān)系，弄清生產(chǎn)流程過程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的基本原理和除雜分離提純產(chǎn)品的化工工藝，然后再結(jié)合題設(shè)的問題，逐一推敲解答。

【例1】（2015新課標(biāo)Ⅰ）硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦（主要成分為Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等）為原料制備硼酸（H3BO3）的工藝流程如圖所示：

回答下列問題：

（1）寫出Mg2B2O5·H2O與硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：_________________。為提高浸出速率，除適當(dāng)增加硫酸濃度外，還可采取的措施有_______________________________ _____________________________（寫出兩條）。

（2）利用_________的磁性，可將其從“浸渣”中分離?！敖敝羞€剩余的物質(zhì)是________（化學(xué)式）。

（3）“凈化除雜”需先加H2O2溶液，作用是__________ _________________。然后再調(diào)節(jié)溶液的pH約為5，目的是______________________________________________。

（4）“粗硼酸”中的主要雜質(zhì)是________（填名稱）。

（5）以硼酸為原料可制得硼氫化鈉（NaBH4），它是有機(jī)合成中的重要還原劑，其電子式為________________。

（6）單質(zhì)硼可用于生成具有優(yōu)良抗沖擊性能硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼，用化學(xué)方程式表示制備過程_________________。

【解析】（1）根據(jù)題給流程圖，鐵硼礦中的Mg2B2O5· H2O與硫酸反應(yīng)的生成物必有H3BO3，根據(jù)元素守恒可判斷出另一產(chǎn)物應(yīng)為硫酸鎂，故反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋2H3BO3。加快化學(xué)反應(yīng)速率可以通過升高溫度、增大反應(yīng)物的接觸面積（減小固體反應(yīng)物顆粒的大?。┑?。

（2）Fe3O4具有磁性，可用磁鐵吸引，從而將其從“浸渣”中分離?！敖敝羞€剩余的物質(zhì)是未反應(yīng)的SiO2及微溶的CaSO4。

（3）“凈化除雜”需先加H2O2溶液的目的是將Fe2＋氧化為Fe3＋，然后再調(diào)節(jié)溶液的pH約為5，使Fe3＋和Al3＋生成Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀而除去。

（4）根據(jù)反應(yīng)的化學(xué)方程式可知，粗硼酸中的主要雜質(zhì)是反應(yīng)過程中生成的硫酸鎂。

【答案】（1）Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋2H3BO3提高反應(yīng)溫度、減小鐵硼礦粉粒徑 （2）Fe3O4SiO2和CaSO4

（3）將Fe2＋氧化為Fe3＋使Fe3＋與Al3＋形成氫氧化物沉淀而除去

（4）（七水）硫酸鎂

【解法點(diǎn)睛】首尾分析法在本題中的應(yīng)用凸顯得很到位，首先根據(jù)流程圖的起始和終了過程可知Mg2B2O5· H2O與硫酸反應(yīng)的生成物中一定有H3BO3，根據(jù)元素守恒可判斷出另一產(chǎn)物應(yīng)為硫酸鎂，這一點(diǎn)在后面結(jié)尾處的流程圖有所體現(xiàn)。

2．截段分析法

對于用同樣的原材料生產(chǎn)多種（兩種或兩種以上）產(chǎn)品（包括副產(chǎn)品）的工藝流程題，用截段分析法更容易找到解題的切入點(diǎn)。

【例2】（2015安徽）硼氫化鈉（NaBH4）在化工等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，某研究小組采用偏硼酸鈉NaBO2為主要原料制備NaBH4，其流程如下：

已知：NaBH4常溫下能與水反應(yīng)，可溶于異丙酸（沸點(diǎn)：13℃）。

（1）在第①步反應(yīng)加料之前，需要將反應(yīng)器加熱至100℃以上并通入氬氣，該操作的目的是_____________，原料中的金屬鈉通常保存在___________中，實(shí)驗(yàn)室取用少量金屬鈉需要用到的實(shí)驗(yàn)用品有________，________，玻璃片和小刀等。

（2）請配平第①步反應(yīng)的化學(xué)方程式：

（3）第②步分離采用的方法是______________________；第③步分離（NaBH4）并回收溶劑，采用的方法是________ ______________。

（4）NaBH4（s）與水（l）反應(yīng)生成NaBO2（s）和氫氣（g），在25℃，101kPa下，已知每消耗3．8克NaBH4（s）放熱21．6kJ，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式是________________。

【解析】截段分析法是解答工藝流程題的常用方法之一。該法就是將一個(gè)復(fù)雜的流程題肢解成一個(gè)個(gè)小局部，

（2）根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，得失電子總相同，可以配平此反應(yīng)為NaBO2＋2SiO2＋4Na＋2H2NaBH4＋2Na2SiO3。

（3）從流程圖中可以看出第②步分離的是固體和液體混合物，所以選用過濾的方法；第③步分離（NaBH4）并回收溶劑，只能先將溶劑蒸發(fā)再冷凝回收，即蒸餾的方法分離。

（4）根據(jù)物質(zhì)的量計(jì)算，n（NaBH4）＝0．1mol，故熱方程式為NaBH4（s）＋H2O（l）NaBO2（s）＋H2（g）ΔH＝－216kJ／mol。

【答案】（1）除去反應(yīng)器中的水蒸氣和空氣，煤油，鑷子、濾紙

（2）系數(shù)為：1、2、4、2

（3）過濾，蒸餾

（4）NaBH4（s）＋H2O（l）NaBO2（s）＋H2（g）

ΔH＝－216kJ／mol。

【解法點(diǎn)睛】用截?cái)喾治龇ń夤に嚵鞒填}是一種主流解題方法，用該法解工藝流程題關(guān)鍵在于選對題型和如何截段。

3．交叉分析法

有些化工生產(chǎn)選用多組原材料，事先合成一種或幾種中間產(chǎn)品，再用這一中間產(chǎn)品與部分其他原材料生產(chǎn)所需的主流產(chǎn)品。以這種工藝生產(chǎn)方式設(shè)計(jì)的工藝流程題，為了便于分析掌握生產(chǎn)流程的原理，方便解題，最簡單的方法，就是將提供的工藝流程示意圖劃分成幾條生產(chǎn)流水線，上下交叉分析。

【例3】（2014天津，10）合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)原理為N2（g）＋3H2（g）幑幐2NH3（g）ΔH＝－92．4kJ／mol。一種工業(yè)合成氨的簡式流程圖如下：從局部進(jìn)行突破，繼而全題得以解答。該種方法不但可以降低試題的難度，還可以提高得分率。

（1）首先結(jié)合題意單獨(dú)分析第一個(gè)流程圖，由于NaBH4常溫下能與水反應(yīng)，且Na比較活潑，加熱到100度以上，充入氬氣，是除去反應(yīng)器中的水蒸氣和空氣，避免影響反應(yīng)；少量金屬鈉保存在煤油里；取用鈉時(shí)，用鑷子夾取，濾紙吸干表面的煤油。

（1）天然氣中的H2S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH4HS。一定條件下向NH4HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)方程式：______ __________________________________________________。

（2）步驟Ⅱ中制氫氣的原理如下：

①CH4（g）＋H2O（gCO（g）＋3H2（g）

ΔH＝＋206．4kJ／mol

②CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）

ΔH＝－41．2kJ／mol

對于反應(yīng)①，一定可以提高平衡體系中H2的百分含量，又能加快反應(yīng)速率的措施是________。

a．升高溫度 b．增大水蒸氣濃度

c．加入催化劑 d．降低壓強(qiáng)

利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H2的產(chǎn)量。若1mol CO和H2的混合氣體（CO的體積分?jǐn)?shù)為20%）與H2O反應(yīng)，得到1．18mol CO、CO2和H2的混合氣體，則CO的轉(zhuǎn)化率為________。

（3）圖（a）表示500℃、60．0MPa條件下，原料氣投料比與平衡時(shí)NH3體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。根據(jù)圖中a點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算N2的平衡體積分?jǐn)?shù)：________。

（4）依據(jù)溫度對合成氨反應(yīng)的影響，在圖（b）坐標(biāo)系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH3物質(zhì)的量變化的曲線示意圖。

（5）上述流程圖中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步驟是（填序號(hào)）________。簡述本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法：_______________________________ _____________________。

【解析】該生產(chǎn)工藝屬于多處循環(huán)生產(chǎn)工藝，因此分析工藝流程示意圖時(shí)，分析的主線是弄清基本原材料CH4轉(zhuǎn)化為合成氨的基本原料N2和H2的工藝生產(chǎn)原理。但還要回頭分析循環(huán)生產(chǎn)的理由和循環(huán)生產(chǎn)的工藝生產(chǎn)段。通過這樣既考慮產(chǎn)品的合成，又考慮原料的充分利用，該題所涉及的問題也就可以解答了。為了弄清該化工生產(chǎn)的生產(chǎn)工藝，須將這兩條生產(chǎn)流水線交叉綜合分析，最終解答題設(shè)的有關(guān)問題。

（1）由題意可知為空氣中的O2將負(fù)二價(jià)硫氧化為硫單質(zhì)，根據(jù)電子守恒將方程式配平即可。

（3）由圖中看出當(dāng)N2與H2物質(zhì)的量比為1∶3時(shí)，NH3的平衡體積分?jǐn)?shù)最大，為42%。設(shè)平衡時(shí)轉(zhuǎn)化的N2的物質(zhì)的量為x mol，由三段式：

（4）作圖時(shí)要注意開始時(shí)NH3物質(zhì)的量不斷增多，是因?yàn)榉磻?yīng)正向進(jìn)行（反應(yīng)未達(dá)平衡），達(dá)到一定程度后反應(yīng)達(dá)到平衡而此時(shí)溫度繼續(xù)升高，平衡逆向移動(dòng)，NH3的物質(zhì)的量減小。

（5）熱交換器可以使需要加熱的物質(zhì)得到加熱，還可以使需要冷卻的物質(zhì)得到冷卻，能充分利用能量。合成氨反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，加壓利于反應(yīng)正向進(jìn)行；此外，循環(huán)利用可反復(fù)利用原料，提高原料利用率。

（5）Ⅳ 對原料氣加壓；分離液氨后，未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)使用

【解法點(diǎn)睛】該題融合化學(xué)平衡計(jì)算、圖象分析等多重知識(shí)點(diǎn)考查工業(yè)合成氨，解答時(shí)要善于肢解復(fù)雜流程、繼而逐一攻破。

（作者單位：山東省日照市莒縣四中）