例談“化學(xué)工藝流程”題中化學(xué)反應(yīng)條件控制

【摘 要】近幾年，以現(xiàn)代化工生產(chǎn)為背景的“化學(xué)工藝流程”題已成為理綜化學(xué)試卷的主流題型，“化學(xué)工藝流程”題中涉及很多的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)都需要在一定條件下進(jìn)行，因此，化學(xué)反應(yīng)條件的控制是決定生產(chǎn)效益高低和產(chǎn)品是否純凈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。下面是結(jié)合高考復(fù)習(xí)備考和高考真題的研究，反思總結(jié)得出的“化學(xué)工藝流程”中化學(xué)反應(yīng)條件的控制之pH控制的幾種情況，通過典型例子對(duì)反應(yīng)條件控制之pH控制的原理、方法及作用進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，力求突破“化學(xué)工藝流程”題中pH控制的瓶頸，提高學(xué)生的化學(xué)工程素養(yǎng)和“化學(xué)工藝流程”題的得分。

【關(guān)鍵詞】工藝流程;化學(xué)反應(yīng);條件控制;Ph

【中圖分類號(hào)】G632.41 ??????【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2019）16-0267-02

一、促使某些離子水解形成氫氧化物而被除去

根據(jù)不同金屬陽離子完全沉淀的pH數(shù)據(jù)，改變?nèi)芤旱膒H使之處于某范圍內(nèi)，使雜質(zhì)金屬離子沉淀，并確保所需要的金屬離子依舊存留在溶液中。這一點(diǎn)，在2015年新課標(biāo)全國(guó)II卷第26題第（4）問中有很好的體現(xiàn)：由于Fe2+沉降時(shí)要求的溶液pH較高，或與一些其他離子沉淀pH范圍重疊，一般是加入H2O2、酸性高錳酸鉀溶液、氯水等氧化劑將其氧化成易沉降的Fe3+。

例題1：（2015年新課標(biāo)全國(guó)卷Ⅱ第26題第（4）問）酸性鋅錳干電池是一種一次性電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等組成的糊狀填充物。該電池放電過程產(chǎn)生MnOOH?；厥仗幚碓搹U電池可得到多種化工原料。有關(guān)數(shù)據(jù)如表所示：

回答下列問題：

（4）用廢電池的鋅皮制備ZnSO4·7H2O的過程中，需除去鋅皮中的少量雜質(zhì)鐵，其方法是加稀H2SO4和H2O2溶解，鐵變?yōu)椤糃D#2〗，加堿調(diào)節(jié)至pH為〖CD#2〗時(shí)，鐵剛好沉淀完全（離子濃度小于1×10-5mol·L-1時(shí)，即可認(rèn)為該離子沉淀完全），繼續(xù)加堿至pH為〖CD#2〗時(shí)，鋅開始沉淀（假定Zn2+濃度為0.1mol·L-1）。若上述過程不加H2O2后果是〖CD#2〗，原因是〖CD#2〗。

解析：鐵溶于稀硫酸生成Fe2+，F(xiàn)e2+被雙氧水氧化為Fe3+。若直接加入堿溶液，則Fe2+、Zn2+、Fe3+都可能沉淀出來，因此，只能利用水解程度的不同，通過調(diào)節(jié)pH，利用鹽類水解原理除雜。Ksp[Fe（OH）3]=c（Fe3+）·c3（OH-）=10-39，則鐵剛好完全沉淀時(shí)，c（OH-）=〖KF（S〗3〖〗〖SX（〗10-39〖〗10-5〖SX）〗〖KF）〗 mol·L-1≈4.64×10-12 mol·L-1，則c（H+）=〖SX（〗10-14〖〗4.64×10-12〖SX）〗 mol·L-1≈2.16×10-3 mol·L-1，pH=2.7;Ksp[Zn（OH）2]=c（Zn2+）·c2（OH-）=10-17，則鋅開始沉淀時(shí)，c（OH-）=〖KF（〗〖SX（〗10-17〖〗0.1〖SX）〗〖KF）〗 mol·L-1=10-8 mol·L-1，則，c（H+）=〖SX（〗10-14〖〗10-8〖SX）〗 mol·L-1=10-6 mol·L-1，pH=6;Zn（OH）2和Fe（OH）2的Ksp相近，若不加H2O2，沉淀Zn2+的同時(shí)Fe2+也會(huì)沉淀，從而使Zn2+和Fe2+不能分離。

二、抑制某些離子的水解，防止產(chǎn)品混入雜質(zhì)而不純

像鹽酸鹽、硝酸鹽溶液，通過結(jié)晶方法制備晶體或加熱脫水結(jié)晶水合物制備相對(duì)應(yīng)的無水鹽時(shí)，由于水解生成的鹽酸或硝酸揮發(fā)，促使了金屬離子水解（水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)）導(dǎo)致產(chǎn)品不純，因此要從鹽酸鹽、硝酸鹽溶液中獲得固體時(shí)這就需要在酸性氛圍中加熱來抑制其水解。

例2.（2011年江蘇卷第16題節(jié)選）以硫鐵礦（主要成分為FeS2）為原料制備氯化鐵晶體（FeCl3·6H2O）的工藝流程如下：

〖XC77.JPG;%30%30〗

酸溶及后續(xù)過程中均需保持鹽酸過量，其目的是提高鐵元素的浸出及〖CD#3〗。

解析：氧化后溶液為FeCl3溶液，發(fā)生水解反應(yīng)FeCl3+3H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）3+3HCl，蒸發(fā)濃縮時(shí)溫度升高使水解平衡正向移動(dòng)，同時(shí)生成的HCl易揮發(fā)，使產(chǎn)品混入Fe（OH）3，保持鹽酸過量可抑制FeCl3的水解，確保氯化鐵晶體的純度。

三、控制鹽水解反應(yīng)進(jìn)行的程度

Fe3+、Al3+、Cr3+、Ti4+等離子由于所帶電荷數(shù)多，半徑小，易發(fā)生強(qiáng)烈的水解反應(yīng)。在中學(xué)教材中，它們水解的離子方程式都做了簡(jiǎn)化處理，如Fe3+水解：Fe3+ +3H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）3+3H+;其實(shí)Fe3+在溶液中水解可分三步：

Fe3++H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）2++H+

Fe（OH）2++H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）+2+H+

Fe（OH）++H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）3+H+ ，依據(jù)人們需要可通過控制溶液的pH得到水解程度不同的產(chǎn)物。

例3.（2014年江蘇卷第16題節(jié)選）煙氣脫硫能有效減少二氧化硫的排放。實(shí)驗(yàn)室用粉煤灰（主要含Al2O3、SiO2等）制備堿式硫酸鋁[Al2（SO4）x（OH）6—2x]溶液，并用于煙氣脫硫研究。

〖XC78.JPG;%30%30〗

加CaCO3調(diào)節(jié)溶液的pH至3.6，其目的是中和溶液中的酸，并使Al2（SO4）3轉(zhuǎn)化為Al2（SO4）x（OH）6—2x。濾渣Ⅱ的主要成分為〖CD#4〗（填化學(xué)式）;若溶液的pH偏高，將會(huì)導(dǎo)致溶液中鋁元素的含量降低，其原因是〖CD#6〗（用離子方程式表示）。

解析：制備堿式硫酸鋁[Al2（SO4）x（OH）6—2x]溶液的原理，就是加入CaCO3消耗酸性溶液中的H+，使溶液pH升高，Al2（SO4）3發(fā)生一定程度的水解反應(yīng)，把握這個(gè)的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)溶液pH=3.6。若溶液的pH過低，水解受到抑制;pH偏高，Al2（SO4）3水解過度以致生成難溶于水的Al（OH）3，就會(huì)導(dǎo)致Al2（SO4）x（OH）6—2x中的x減小，即溶液中鋁元素的含量降低。

綜上所述，“學(xué)工藝流程”題離不開化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)又離不開反應(yīng)條件，所以，運(yùn)用平衡移動(dòng)原理，氧化還原反應(yīng)原理、電化學(xué)原理等，科學(xué)實(shí)施條件控制，目的就是使化學(xué)反應(yīng)向著對(duì)人們有利的方向轉(zhuǎn)化，同時(shí)，也是保證生產(chǎn)安全、提高綜合經(jīng)濟(jì)效益和增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力的重要支撐點(diǎn)，通過研讀工藝流程中化學(xué)反應(yīng)的條件選擇原理和控制手段，可以體驗(yàn)探究問題的思維歷程和增強(qiáng)解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]王衛(wèi)東.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]劉雪暖，湯景凝.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：石油大學(xué)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)仕軍 （1988.5-）， 男， 云南楚雄 ，云南省開遠(yuǎn)市第一中學(xué)校 ， 一級(jí)教師， ??高中化學(xué)。