無機(jī)化工流程問題解題模型探究

李雷

摘 要：本文以2018年高考全國卷中化學(xué)學(xué)科的無機(jī)化工流程必考題的工序背景作為研究點(diǎn)，提出了解決該問題的三步法，即礦石的處理、除雜過程、產(chǎn)品的獲得及提純。并對(duì)三步法中常出現(xiàn)的問題給出了解決方案。

關(guān)鍵詞：無機(jī)化工流程，溶液，除雜

高中化學(xué)高考考試大綱在2017年做了較大修改，選做題由3選1變成了2選1，取消了原有選修二《化學(xué)與技術(shù)》的考查。原有選修二的內(nèi)容與無機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)原理和元素化學(xué)內(nèi)容相融合，以無機(jī)化工流程的形式加以考查?？v觀全國卷I自2011年至2018年的高考化學(xué)真題，只有2012年和2014年的三道必考題部分未考查無機(jī)化工流程問題，因此無機(jī)化工流程問題必須引起高三學(xué)生復(fù)習(xí)的高度重視。

2018年三套全國卷中均涉及以無機(jī)化工流程為背景的必考題：

2018年全國卷I：利用煙道氣中的SO2生產(chǎn)Na2S2O5的工藝為：

2018年全國卷II：我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家，一種以閃鋅礦（ZnS，含有少量SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì)）為原料制備金屬鋅的流程如圖所示：

2018年全國卷III：利用“KClO3氧化法”制備KIO3工藝流程如下圖所示：

全國卷I以煙道煤氣中SO2制備焦亞硫酸鈉為背景，全國卷II以閃鋅礦制備單質(zhì)鋅為背景，全國卷III以“KClO3氧化法”制備KIO3為背景，結(jié)合高中化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)置問題。其中全國卷II為完整的工業(yè)流程及問題考查，全國卷I和III以無機(jī)化工流程為背景創(chuàng)設(shè)問題并與其它知識(shí)考題相結(jié)合。全國卷I考查了方程式的書寫，pH對(duì)反應(yīng)的影響等內(nèi)容。全國卷III考查了氣體逸出方法，方程式的書寫及溶液成分的判斷內(nèi)容。全國II卷則綜合考查了學(xué)生化學(xué)元素化學(xué)的基本知識(shí)、電解的應(yīng)用、方程式的書寫等內(nèi)容。

以全國卷II為例看無機(jī)化工流程題的解法：做好該題關(guān)鍵是理解每個(gè)工序的目的，可以看出焙燒及溶浸工序?yàn)閷?duì)礦石的處理過程，氧氣氧化過程是將Fe2+氧化成Fe3+，加入ZnO的目的為調(diào)高溶液pH，加入金屬Zn是為了還原溶液中的Cd2+，這兩道工序?yàn)槿芤旱某s過程，最后電解ZnSO4溶液得單質(zhì)鋅，流程結(jié)束。該題非常好的體現(xiàn)了立足基礎(chǔ)、注重綜合、關(guān)注知識(shí)體系以及培養(yǎng)民族精神的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

通過以上高考真題可以看到，無機(jī)化工流程問題的試題情境大致分為三大部分，即礦石的處理、除雜過程、產(chǎn)品的獲得及提純，小結(jié)如下：

一、礦石的處理

礦石以金屬氧化物及硅酸鹽、二氧化硅等成分為主，首先應(yīng)將固體礦石處理成溶液，則涉及浸取的問題。

浸取的過程以酸浸為主，因酸能與絕大多數(shù)金屬氧化物反應(yīng)達(dá)到礦石溶解的目的，酸浸過程主要不溶物為二氧化硅。同時(shí)也可以堿浸，與堿能反應(yīng)的為兩性的金屬氧化物及二氧化硅。甚至可以出現(xiàn)先堿后酸的過程，依據(jù)所給信息及元素性質(zhì)的知識(shí)儲(chǔ)備也可推導(dǎo)出哪種物質(zhì)溶解。在浸取過程后會(huì)跟著過濾的操作，將難溶物和浸取液體系分離。

礦石的處理中常見問題：

1.過濾所需的玻璃儀器：即燒杯、漏斗、玻璃棒。

2.過濾后濾渣的成分：由于礦石成分復(fù)雜不可能100%溶解，濾渣中會(huì)含有未溶解的礦石;酸浸過程濾渣主要為SiO2;堿浸過程濾渣主要為不與堿反應(yīng)的金屬氧化物;先堿后酸過程濾渣主要為H2SiO3（SiO2先溶解后析出）。

3.提高浸取率的方法：一般為將礦石粉碎、加熱、提高酸浸或堿浸過程中酸或堿的濃度、充分?jǐn)嚢璧龋ê唵慰衫斫鉃槿艿目旒慈艿亩?，所以提高溶解反?yīng)速率的方法即提高浸取率的方法）。

二、除雜過程

為了得到目標(biāo)產(chǎn)品，必須對(duì)浸取液中所含雜質(zhì)進(jìn)行除雜處理，常見雜質(zhì)為金屬陽離子。如Fe3+、Fe2+、Al3+等。不同金屬陽離子開始沉淀和完全沉淀的pH如下表：

金屬離子 Fe3+ Al3+ Fe2+ Zn2+ Co2+ Mg2+

開始沉淀 2.2 4.1 7.5 6.5 7.2 9.6

完全沉淀 3.5 5.4 9.5 8.5 9.2 11.6

由上表可知：可通過調(diào)高pH的方法除去金屬陽離子，但Fe2+、Zn2+、Mg2+、Co2+完全除去的pH相對(duì)較高，可能會(huì)沉淀目標(biāo)產(chǎn)物中的金屬陽離子，因此不能將溶液pH調(diào)得太高。

Fe2+的除雜一般采取先氧化后調(diào)pH的方法與Fe3+和Al3+一并除去，所以應(yīng)加入一種氧化劑將Fe2+氧化成Fe3+，雙氧水是一個(gè)很好的選擇，則2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O的離子方程式尤為重要。

Mg2+、Ca2+、Li+的除雜一般采取加入氟鹽（NH4F）的方法使其以難溶性MFn的形式沉淀。如果為堿浸過程，則SiO32-為必須除去的雜質(zhì)離子，也應(yīng)采取調(diào)pH的方法除去，但該體系應(yīng)調(diào)低pH，利用2H++SiO32-=H2SiO3↓的方法除去。調(diào)完pH后一般跟隨過濾的操作，將產(chǎn)生的沉淀過濾除去，否則可能影響下一步的除雜過程，比如說產(chǎn)生的Al（OH）3沉淀，再調(diào)高pH可使Al（OH）3溶解重新產(chǎn)生AlO2-雜質(zhì)離子。

除雜過程常見問題：

（1）pH調(diào)節(jié)范圍：將雜質(zhì)離子完全沉淀時(shí)的pH與目標(biāo)產(chǎn)物中的金屬離子開始沉淀的pH之間。例：目標(biāo)產(chǎn)物為CoSO4，則除去Fe2+、Fe3+、Al3+的方法為先加氧化劑，后調(diào)pH的范圍為5.4～7.2。

（2）調(diào)pH所需物質(zhì)：如果想調(diào)高pH，只要能與H+反應(yīng)均能達(dá)到目的，但為了不引入新的雜質(zhì)，一般用目標(biāo)產(chǎn)物中金屬陽離子對(duì)應(yīng)的氧化物、堿及碳酸鹽。

三、產(chǎn)品的獲得及提純過程

一般采用三種方法獲得產(chǎn)品：

①溶液中得含溶質(zhì)晶體，方法為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾。

②加入另一種反應(yīng)物以復(fù)分解方法得沉淀，過濾。

③通過電解、置換等方法得某種單質(zhì)。

其中以第一種方法考查幾率較大。過濾后得到的是粗產(chǎn)品，要想的到純度相對(duì)較大的產(chǎn)品應(yīng)加上提純過程，即洗滌和干燥。

產(chǎn)品的獲得過程?？碱}型：

（1）得到溶質(zhì)較純晶體的方法：蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥。

（2）洗滌的標(biāo)準(zhǔn)操作：向漏斗內(nèi)注水至沒過固體表面，待水自然流下，重復(fù)2～3次。

（3）判斷晶體是否洗凈的方法：取最后一次洗滌液，加，若無現(xiàn)象，則洗凈。即檢驗(yàn)?zāi)撤N離子的存在，檢驗(yàn)過程要求被檢驗(yàn)離子不能是目標(biāo)產(chǎn)品中包含的離子（沉淀溶解平衡的影響），并且現(xiàn)象應(yīng)明顯一般為沉淀法。答題技巧：被檢驗(yàn)離子一般為酸浸過程中所用酸的陰離子，一般為Cl-或SO42-。

提醒同學(xué)注意對(duì)題干所給信息的運(yùn)用，一般所給信息為某個(gè)題目的答題要點(diǎn)。一般來說無機(jī)化工流程題還會(huì)涉及1～2個(gè)方程式的書寫，提示在書寫方程式時(shí)一定要注意體系的酸堿性環(huán)境。

綜上，建議無機(jī)化工流程問題的解題步驟如下：首先結(jié)合題干所給信息去理解每個(gè)工序的目的，可通過本文中提到的礦石的處理、除雜過程、產(chǎn)品的獲得及提純?nèi)椒右苑治?，特別提醒部分工序也需結(jié)合下面問題中的信息。其次整理流程中涉及的一些無機(jī)化學(xué)及元素化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，與流程中的工序相結(jié)合構(gòu)建流程過程的知識(shí)體系。最后解答習(xí)題。即：