化工生產(chǎn)流程中的除雜方法

成黎黎

(江蘇省南通市海門實(shí)驗(yàn)學(xué)校)

化工流程題是高考化學(xué)必考題之一,結(jié)合元素化合物知識(shí),考查化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、鹽的水解、物質(zhì)的分離與提純等基本理論.化工生產(chǎn)大多是利用自然界中的礦石生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品.天然礦石中含有雜質(zhì),生產(chǎn)過(guò)程中需要將這些雜質(zhì)除去,除去雜質(zhì)的過(guò)程成為化工流程題的考查方向.

1 根據(jù)化工原料的成分除雜

解答化工流程題,要明確礦石的主要成分和次要成分,需要掌握這些成分所屬物質(zhì)的類別,具有什么性質(zhì),能與哪些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在化工流程中發(fā)生了什么反應(yīng),最終到了哪里等知識(shí)點(diǎn).

例1 納米氧化鎂是在磁性、催化方面有許多特異功能的新材料,具有重要價(jià)值.工業(yè)上以菱鎂礦(主要成分為MgCO3,含少量FeCO3、CaCO3和SiO2雜質(zhì))為原料制備納米氧化鎂的工藝流程如圖1所示.

圖1

(1)在“焙燒”中,SiO2幾乎不發(fā)生反應(yīng),MgCO3、FeCO3、CaCO3轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽.寫出FeCO3轉(zhuǎn)化為NH4Fe(SO4)2的化學(xué)方程式:________.

(2)“濾渣Ⅰ”的成分是_________.

(3)已知在該條件下金屬離子開始沉淀和完全沉淀時(shí)的pH 如表1所示.

表1

上述流程中所用“氧化劑”常為雙氧水,這一步不可省掉的理由是_________.

(4)“試劑a”可能是_________;調(diào)節(jié)pH 的范圍是_________.

分析 (1)FeCO3轉(zhuǎn)化為NH4Fe(SO4)2,Fe元素化合價(jià)升高,被空氣中的氧氣氧化,“焙燒”時(shí)生成的主要?dú)怏w有NH3、CO2,則化學(xué)方程式為

4FeCO3＋O2＋8(NH4)2SO4＝4NH4Fe(SO4)2＋12NH3↑＋4CO2↑＋6H2O.(2)CaSO4是微溶物,SiO2不溶于水,“濾渣Ⅰ”的成分是CaSO4、SiO2.(3)根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知,Fe2＋未沉淀完全時(shí),Mg2＋已開始沉淀,故上述流程中常用雙氧水將Fe2＋氧化為Fe3＋,這一步不可省掉的理由是:防止Fe2＋未完全轉(zhuǎn)化成Fe3＋,導(dǎo)致下一步Fe2＋和Mg2＋可能同時(shí)沉淀,后續(xù)難以分離產(chǎn)品.(4)試劑a可能是MgO(或MgCO3、Mg(OH)2、Mg2(OH)2CO3等);調(diào)節(jié)pH 使Fe3＋完全轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀時(shí)Mg2＋未開始沉淀,則調(diào)節(jié)pH 的范圍是2.8≤pH＜8.9.

2 根據(jù)溶液的pH 除雜

化工流程中通常用調(diào)節(jié)溶液pH 的方法使雜質(zhì)離子產(chǎn)生沉淀并除去.

例2 碳酸鍶(SrCO3)難溶于水,主要用于電磁材料和金屬冶煉.一種由工業(yè)碳酸鍶(含少量Ba2＋、Ca2＋、Mg2＋、Pb2＋等)制備高純碳酸鍶的工藝流程如圖2所示.

圖2

已知:Ⅰ.Cr(OH)3為兩性氫氧化物;

Ⅱ.常溫下,各物質(zhì)的溶度積常數(shù)如表2所示.

表2

回答下列問題:

(1)“沉鋇、鉛”時(shí),pH 過(guò)低會(huì)導(dǎo)致(NH4)2CrO4的利用率降低,原因是_________(用離子方程式解釋);“還原”時(shí)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為________.

(2)“濾渣1”的主要成分為_________(填化學(xué)式).

(3)用氨水和NaOH 分步調(diào)節(jié)pH,而不是直接調(diào)節(jié)溶液的pH≈13的原因?yàn)開________.

(4)“調(diào)pH ≈13”后需對(duì)溶液進(jìn)行煮沸并趁熱過(guò)濾出濾渣2,煮沸并趁熱過(guò)濾的原因是________.

分析 (1)(NH4)2CrO4溶液中存在平衡:2CrO2－4＋2H＋?Cr2O2－7＋H2O,pH 過(guò)低,H＋濃度過(guò)大,平衡正向移動(dòng),更多的CrO2－4轉(zhuǎn)化為Cr2O2－7,導(dǎo)致(NH4)2CrO4的利用率降低;結(jié)合流程和分析來(lái)看,“還原”時(shí)草酸和Cr2O2－7發(fā)生氧化還原反應(yīng),離子方 程 式 為8H＋＋Cr2O2－7＋3H2C2O4＝2Cr3＋＋6CO2↑＋7H2O.(2)“濾渣1”的主要成分為Cr(OH)3.(3)Cr(OH)3是兩性氫氧化物,pH 過(guò)大Cr(OH)3會(huì)溶解,故用氨水和NaOH 分步調(diào)節(jié)pH,而不是直接調(diào)節(jié)溶液的pH≈13,原因是pH 過(guò)高會(huì)使Cr(OH)3溶解,導(dǎo)致鉻的去除率降低.(4)“調(diào)pH≈13”主要是使Mg2＋、Ca2＋沉淀,“調(diào)pH ≈13”后需對(duì)溶液進(jìn)行煮沸并趁熱過(guò)濾的原因是Ca(OH)2的溶解度隨著溫度的升高而降低,煮沸并趁熱過(guò)濾有利于除盡溶液中的Ca2＋.

3 根據(jù)加入的沉淀劑除雜

解題過(guò)程中要理解化工流程題中加入的試劑所起的作用,有的是溶解原料,有的是與原料中的某種成分反應(yīng),還有的是沉淀原料中的雜質(zhì)離子.

例3 CoC2O4是制備金屬鈷的原料,利用含鈷廢料(主要成分為Co2O3,含少量Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、碳及有機(jī)物等)制取CoC2O4的工藝流程如圖3所示.已知:

圖3

①Ksp(MgF2)＝7.42×10－11,Ksp(CaF2)＝1.46×10－10;②氧化性:Co2O3＞O2＞Cl2;

③部分金屬離子沉淀的pH 如表3所示(開始沉淀的pH 按離子濃度為1.00mol·L－1計(jì)算).

表3_

離子濃度小于1.0×10－5mol·L－1時(shí),認(rèn)為該離子沉淀完全.

(1)“500 ℃焙燒”的目的是_________.

(2)“凈化除雜1”過(guò)程中,先在40～50 ℃時(shí)加入H2O2,其作用是_________(用離子方程式表示);再升溫至80～85 ℃,加入Na2CO3溶液,調(diào)pH 至4.5,“濾渣1”的主要成分是________.

(3)“凈化除雜2”可將Mg2＋、Ca2＋沉淀除去,當(dāng)c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1時(shí),溶液中的Ca2＋是否沉淀完全:_______(填“是”或“否”).

分析 (1)500 ℃焙燒時(shí),碳會(huì)變成CO2逸出,有機(jī)物會(huì)生成CO2和水,則“500 ℃焙燒”的目的是除去碳和有機(jī)物.(2)“鈷浸出”過(guò)程中,Na2SO3將Co3＋、Fe3＋還原為Co2＋、Fe2＋,“凈化除雜1”過(guò)程中,先在40～50 ℃加入H2O2,可將Fe2＋氧化成Fe3＋,發(fā)生的反應(yīng)為H2O2＋2Fe2＋＋2H＋＝2Fe3＋＋2H2O.再升溫至80～85 ℃,加入Na2CO3溶液,CO23－和Fe3＋發(fā)生雙水解反應(yīng),Fe3＋轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀,則“濾渣1”的主要成分是Fe(OH)3.(3)當(dāng)c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1時(shí),Ksp(MgF2)＝7.42×10－11,則