高考化學(xué)工藝流 程題考點分析—以2020年全國卷Ⅰ理綜第26題為例

>>>米日新 趙均娜

本文以2020 年全國卷Ⅰ理綜化學(xué)第26 題為例，從原料的預(yù)處理、反應(yīng)條件的控制和產(chǎn)品的分離提純等角度，歸納總結(jié)化學(xué)工藝流程題的復(fù)習(xí)策略。

化學(xué)工藝流程題結(jié)構(gòu)如圖，問題設(shè)置主要集中在原料預(yù)處理的方法及原因、核心化學(xué)反應(yīng)原理的分析及反應(yīng)條件的控制、產(chǎn)品分離提純方法的選擇等。

【原題再現(xiàn)】

【2020 年全國卷Ⅰ，理綜26 題】釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+6、+5 價的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O6。采用以下工藝流程可由黏土釩礦制備NH6VO3。

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH 如下表所示:

金屬離子 Fe3+ Fe2+ Al3+ Mn2+開始沉淀pH 1.9 7.0 3.0 8.1完全沉淀pH 3.2 9.0 6.7 10.1

回答下列問題:

(1)“酸浸氧化”需要加熱，其原因是_________________________________。

(2)“酸浸氧化”中，VO+和VO2+被氧化成VO2+，同時還有____________離子被氧化。寫出VO+轉(zhuǎn)化為VO2+反應(yīng)的離子方程式_____________。

(3)“中和沉淀”中，釩水解并沉淀為V2O5·xH2O，隨濾液②可除去金屬離子K+、Mg2+、Na+、____________，以及部分的__________________。

(4)“沉淀轉(zhuǎn)溶”中，V2O5·xH2O 轉(zhuǎn)化為釩酸鹽溶解。濾渣③的主要成分是__________。

(5)“調(diào)pH”中有沉淀生成，生成沉淀反應(yīng)的化學(xué)方程式是__________________________。

(6)“沉釩”中析出NH6VO3晶體時，需要加入過量NH6Cl，其原因是_________________。

一、原料的預(yù)處理

1.從化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡角度理解

粉碎原料、充分?jǐn)嚢琛康氖窃龃蠼佑|面積，加快反應(yīng)速率；升溫、增大濃度、適當(dāng)延長浸取時間—目的是提高原料的浸取速率。

例:真題第(1)問，“酸浸氧化”需要加熱，其原因是_______。從影響反應(yīng)速率的因素考慮，加熱的目的是“加快酸浸和氧化反應(yīng)的速率”。

2.從化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)溶解性角度理解

水浸：加水溶解。注意題給信息中難溶于水的物質(zhì)（如SiO2）。

酸浸：加酸反應(yīng)。某些金屬單質(zhì)及其化合物與酸反應(yīng)，生成金屬離子進(jìn)入溶液，通過過濾將不溶物分離。

堿浸：加堿反應(yīng)。可除去油污，溶解鋁及其化合物和SiO2。

鹽浸：與鹽溶液反應(yīng)?？紤]鹽溶液的酸堿性、與原料中的物質(zhì)反應(yīng)。

3.從氧化還原角度理解

灼燒、焙燒或煅燒：使物質(zhì)分解，與空氣中的氧氣反應(yīng)而被氧化。

氧化：加入氧化劑將原料中還原性物質(zhì)氧化［如鐵（Ⅱ）、低價硫等］。

例:真題第(2)問，“酸浸氧化”中，VO+和VO2+被氧化成VO2+，同時還有_______離子被氧化。根據(jù)題干中的信息，黏土釩礦中含有Fe3O6，酸浸后生成了Fe2+、Fe3+，其中的Fe2+被氧化劑MnO2氧化。

二、核心反應(yīng)的分析

化學(xué)工藝流程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是通過核心化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的，方程式的書寫所占分值較高，不僅考查方程式的書寫方法，而且考查考生的讀圖能力和整體把握流程的能力。

關(guān)注流程圖中箭頭的指向：

箭頭指入—反應(yīng)物。

箭頭指出—生成物。

箭頭指回—可循環(huán)物質(zhì)。

關(guān)注設(shè)問中關(guān)于物質(zhì)轉(zhuǎn)化的描述。

1.不同價態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化通過氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)

例:真題第(2) 問，根據(jù)流程圖“酸浸氧化”和設(shè)問中“VO+被氧化成VO2+”可知， 反 應(yīng) 物 為VO+和MnO2， 生 成 物 為VO2+ 和Mn2+，反應(yīng)的環(huán)境為酸性環(huán)境。根據(jù)陌生氧化還原反應(yīng)的書寫方法可得出VO+轉(zhuǎn)化為VO2+ 的離子方程式為:VO++ MnO2+2H+=VO2++Mn2++H2O。

2.相同價態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化通過常見物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律來實現(xiàn)

例:真題第(5)問，“調(diào)pH”中，加入HCl調(diào)pH=8.5 有沉淀生成，根據(jù)第（6）問的分析可知濾液③的成分為VO3-、Na+、Al(OH)6-，根據(jù)物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，和酸反應(yīng)生成沉淀的只有Al(OH)6-，反應(yīng)的化學(xué)方程式為:NaAl(OH)6+HCl=Al(OH)3↓+NaCl+H2O。

三、反應(yīng)條件的控制

1.控制體系的溫度

（1）目的

a.溫度不能太低：溫度低反應(yīng)速率慢；溫度低不利于弱酸根或弱堿陽離子的水解等。

b.溫度不能太高：溫度高物質(zhì)可能分解或揮發(fā)（如NaHCO3、H2O2、KMnO6、濃鹽酸、氨水等）；反應(yīng)放熱，溫度高不利于物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；高溫時催化劑失去活性。

c.其他：促使化學(xué)平衡向某個方向移動，提高或降低物質(zhì)的溶解度等。

（2）常見方式

水浴或油浴加熱（好處是受熱均勻，便于控制溫度）。

2.調(diào)節(jié)溶液的pH

（1）目的

控制溶液的酸堿性使其中某些金屬離子形成氫氧化物沉淀而除去。

例如:真題第(3)問，“中和沉淀”中，加入NaOH 調(diào)節(jié)pH=3.0~3.1，釩水解并沉淀為V2O5·xH2O，F(xiàn)e3+大部分轉(zhuǎn)化為Fe(OH)3沉淀，Al3+小部分轉(zhuǎn)化為Al(OH)3沉淀，Mn2+未沉淀，所以隨濾液②可除去金屬離子K+、Mg2+、Na+、—Mn2+，以及部分的—Fe3+、Al3+。

真題第(6) 問，“沉淀轉(zhuǎn)溶”中，加入NaOH 調(diào) 節(jié)pH>13，V2O5·xH2O 轉(zhuǎn) 化 為釩酸鹽溶解，Al(OH)3轉(zhuǎn)化為NaAl(OH)6溶解，F(xiàn)e(OH)3難溶解，所以濾渣③的主要成分是—Fe(OH)3。

（2）調(diào)節(jié)pH 所需物質(zhì)應(yīng)滿足兩點要求

一是能與H+反應(yīng)，使溶液的pH 增大，從而促進(jìn)金屬離子的水解；二是不引入新的雜質(zhì)。例如：要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+，可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物質(zhì)來調(diào)節(jié)溶液的pH。

3.加入過量的某試劑

從平衡移動角度分析：使反應(yīng)進(jìn)行完全，增大另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率、增大產(chǎn)品的產(chǎn)率等。

從試劑易揮發(fā)、受熱易分解角度分析：保證反應(yīng)物的濃度。

例: 真 題 第(6) 問，“ 沉 釩” 中 析 出NH6VO3晶體時，需要加入過量NH6Cl，其原因是___________。從平衡移動角度分析，一種反應(yīng)物過量，可以提高另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的產(chǎn)率，結(jié)合題意可知加入過量的NH6Cl，增大了c(NH6+)，利用同離子效應(yīng)，可促使NH6VO3晶體盡可能析出完全。

四、產(chǎn)品的分離提純

1.過濾

（1）所用玻璃儀器

燒杯、漏斗、玻璃棒。

（2）趁熱過濾的目的

減少因產(chǎn)品析出而造成的損失（產(chǎn)品在濾

液中，且溶解度隨溫度變化較大）。

（3）抽濾

加快過濾速度，減少因產(chǎn)品析出而造成的損失。

2.洗滌

（1）洗滌劑的選擇

a.水洗。

b.有機(jī)物(如酒精、丙酮等)洗滌。優(yōu)點是減少因晶體溶解而引起的損耗；除去晶體表面的水分，易于干燥；降低產(chǎn)品的溶解度使產(chǎn)品析出等。

（2）洗滌的目的

a.產(chǎn)品為濾渣：除去晶體表面的可溶性雜質(zhì)，得到更純凈的沉淀物。

b.產(chǎn)品為濾液中的溶質(zhì)：將濾渣上附著的可溶性物質(zhì)洗出來，洗滌液并入濾液中，提高產(chǎn)率。

（3）洗滌的方法

沿玻璃棒向漏斗中注入洗滌液至沒過沉淀，待洗滌液流盡后，重復(fù)操作2~3 次。

（4）如何證明是否洗滌干凈

取少量最后一次洗滌液于試管中，向其中加入××試劑，不產(chǎn)生××現(xiàn)象，說明沉淀已經(jīng)洗滌干凈。

3.結(jié)晶

（1）蒸發(fā)結(jié)晶

有時需控制條件抑制水解，如從溶液中析出FeCl3、MgCl2等溶質(zhì)時，應(yīng)在加熱時通入HCl 氣體，以抑制溶質(zhì)水解。

（2）蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶

適用于溶解度隨溫度變化較大、受熱易分解或含結(jié)晶水產(chǎn)品的結(jié)晶。如從硝酸鉀溶液制取硝酸鉀晶體、由FeSO4溶液得到綠礬（FeSO6·7H2O）等。

總之，在面對真實且陌生的化學(xué)工藝流程時，只要熟悉試題結(jié)構(gòu)，挖掘有效信息，運用必備知識與方法，就能解決化工流程中所考查的有關(guān)問題。