基于高考化學主觀題淺議“焙燒、煅燒、燒結與灼燒”

苑凌云 岳文虹

(1.華中師范大學化學教育研究所;2.山西省大同市煤礦第一中學校)

新高考強調以真實情境作為測試載體、以實際問題作為測試任務,通過考查學生運用化學知識解決實際問題的能力,評價學生學科核心素養(yǎng)的達成水平。其中,主觀題往往是由“真實情境”和“實際問題”組成的“情境化的不良結構的真實任務”,能夠更加明確細致地探查出學生是否完成了對知識從知道、理解到應用、綜合的遷移,能有效評價學生對于化學學科理解和化學學科方法的認知程度,實現“讓學生更好、更全面地發(fā)展”的化學學科核心素養(yǎng)評價體系的根本追求。通過查閱近年高考化學主觀題,我們發(fā)現在化工流程題以及實驗探究題中多次出現了若干詞意相近的名詞,即焙燒、煅燒、燒結、灼燒等,它們的淺表語義都有“加熱”的意思,但是在真實情境中卻代表了不同的含義。并且在2019年全國Ⅰ卷,26題考查“由堿式碳酸鎂制備輕質氧化鎂的方法”,很多學生在若干高溫操作用詞中猶豫不決,絕大部分老師也不清楚其中的差別。下面本文將結合近年高考主觀題辨析“焙燒、煅燒、燒結、灼燒”的具體含義,以期為中學教學提供參考。

1.焙燒

焙燒是將礦石、精礦(精礦是選礦中分選作業(yè)的產物之一,是其中有用目標組分含量最高的部分,操作方法有放射性分選、重力法選礦、浮選等)在空氣、氯氣、氫氣、甲烷、一氧化碳或二氧化碳等氣流中不加或配加一定物料,加熱至低于爐料熔點的溫度,發(fā)生氧化、還原或其他化學變化的過程。焙燒大多為后續(xù)的熔煉或浸出等主要冶煉作業(yè)做準備,因而在冶煉流程中常常作為爐料準備工序。此外,焙燒有時也可以作為金屬礦物精煉的過程。焙燒過程根據反應性質可分為氧化焙燒、還原焙燒、硫酸化焙燒、揮發(fā)焙燒、氯化焙燒等,近年來高考主觀題多次以上述焙燒操作創(chuàng)設問題情境,考查學生原料預處理反應方程式的書寫和影響預處理速率的因素等問題。

1.1 氧化焙燒

氧化焙燒在焙燒操作中應用最為廣泛,是指在氧化氣氛中溫度低于焙燒物料熔點對原料進行處理,目的是把金屬元素氧化為金屬氧化物,同時除去易揮發(fā)的砷、銻、硒、碲等雜質(若砷、銻、硒、碲是目標產物的核心元素,這種將礦石在空氣中加熱,使提取對象變?yōu)閾]發(fā)性氧化物呈氣態(tài)分離出來的方法叫做揮發(fā)焙燒),以便后續(xù)處理,并把礦石中的硫元素轉化為二氧化硫等物質,用于工業(yè)生產硫酸或生產亞硫酸鹽制備造紙廠蒸煮液等。硫鐵礦、硫化銅、菱鋅礦、輝鉬礦(MoS2)等礦石的預處理主要采取氧化焙燒,例如2022年全國甲卷,26題即采用了氧化焙燒處理菱鋅礦。

【例1】(2022全國甲卷,26題節(jié)選)硫酸鋅(ZnSO4)是制備各種含鋅材料的原料,在防腐、電鍍、醫(yī)學上有諸多應用。硫酸鋅可由菱鋅礦制備,菱鋅礦的主要成分為ZnCO3,雜質為SiO2以及Ca、Mg、Fe、Cu等的化合物。其制備流程如圖1:

圖1

(1)菱鋅礦焙燒生成氧化鋅的化學方程式為____________________。

【分析】鋅在現代工業(yè)中占有舉足輕重的地位,大約在10～11世紀,我國就開始大規(guī)模生產鋅,現在鋅被廣泛應用于鋼材結構表面鍍層、制備鋅合金以及電池材料等。目前大多數濕法煉鋅廠在操作前,都先將鋅精礦在沸騰爐內通過氧化焙燒將其中的金屬元素轉化為金屬氧化物,以便焙燒結束后濕法浸取然后進行后續(xù)處理。

此外,氧化—鈉化焙燒也屬于氧化焙燒的一種,是指在氧化氣氛中向礦石里添加適量鈉化劑(如Na2CO3、NaCl、Na2SO4等),焙燒后生成易溶于水的鈉鹽的過程。例如工業(yè)上在用濕法煉釩的過程中,常常添加鈉化劑在回轉爐中進行焙燒,此時三價釩會被氧化成五價的偏釩酸鈉形成焙砂,溶于水后再進行進一步處理。

1.2 還原焙燒

還原焙燒是指將氧化礦預熱至一定溫度,然后用還原性氣體(含CO、H2、CH4等)或粉煤、焦炭等還原礦物中部分或全部高價金屬的過程。2019年全國Ⅱ卷,26題即采取了還原焙燒工藝。

【例2】(2019年全國Ⅱ卷,26題節(jié)選)立德粉ZnS·BaSO4(也稱鋅鋇白),是一種常用白色顏料。

(2)以重晶石(BaSO4)為原料,可按如圖2工藝生產立德粉:

圖2

①在回轉爐中重晶石被過量焦炭還原為可溶性硫化鋇,該過程的化學方程式為__________________________________________________。

【分析】重晶石是制取碳酸鋇、硫酸鋇等鋇鹽的重要原科,由重晶石制取鋇鹽最經典的預處理方法是在碳或無煙煤的作用下于回轉爐中進行還原焙燒,使重晶石中的主要成分硫酸鋇轉化為水溶性的硫化鋇(俗稱黑灰),再進一步加工為各種鋇鹽產品。此外,也可用氫氣、甲烷、天然氣等還原性氣體代替煤粉進行還原焙燒,在懸浮爐中還原重晶石,該法可強化還原過程。

1.3 氯化焙燒

氯化焙燒是指借助氯化劑(可用氯氣、HCl等氣體作氯化劑,也可用CaCl2、NaCl、MgCl2、FeCl3等固體作氯化劑,固體氯化劑在氯化焙燒過程中會全部或大部分轉化成氯氣或HCl等氣體氯化劑再起作用)使物料中某些組分轉變?yōu)闅鈶B(tài)或凝聚態(tài)的氯化物,從而與其他組分分離。通常,礦石中的金屬硫化物、氧化物等在一定條件下都可與化學活性很強的氯發(fā)生反應,生成的金屬氯化物具有熔點低、易揮發(fā)、溶解性好、易被還原等特點,因此工業(yè)上往往借助氯化焙燒來有效實現金屬的分離、富集、提取與精煉等目的。例如2022年湖南卷,17題即采取了氯化焙燒處理鈦渣制備TiCl4,以便進一步制備Ti。

【例3】(2022年湖南卷,17題節(jié)選)鈦(Ti)及其合金是理想的高強度、低密度結構材料。以鈦渣(主要成分為TiO2,含少量V、Si和Al的氧化物雜質)為原料,制備金屬鈦的工藝流程如圖3:

圖3

(2)TiO2與C、Cl2在600℃的沸騰爐中充分反應后,混合氣體中各組分的分壓如下:

物質TiCl4COCO2Cl2分壓/MPa4.59×10-21.84×10-23.70×10-25.98×10-9

①該溫度下,TiO2與C、Cl2反應的總化學方程式為____________________。

【分析】氯化焙燒是處理二氧化鈦的主要方法,具體操作流程是先用空氣在沸騰爐中使干燥的礦粉流態(tài)化,然后加入焦炭粉,待溫度升至600℃時,用氯氣替代空氣入爐,此時發(fā)生如題反應。

2.煅燒

煅燒是指將物料在低于熔點的適當溫度下加熱,使其分解并除去所含結晶水、二氧化碳或二氧化硫等揮發(fā)性物質的過程,所以煅燒過程的反應物通常是固體,生成物是另一種固體和氣體。煅燒在工業(yè)上可用于制備固體(或氣體)原料,如煅燒石灰石制備生石灰,同時得到副產物二氧化碳;還可以用于生產產品,如侯氏制堿法最終是通過煅燒碳酸氫鈉固體制備碳酸鈉等。例如2022年北京卷,18題和2016年新課標Ⅲ卷,28題均采用煅燒法進行化工生產。

【例4】(2022年北京卷,18題節(jié)選)白云石的主要化學成分為CaMg(CO3)2,還含有質量分數約為2.1%的Fe2O3和1.0%的SiO2。利用白云石制備高純度的碳酸鈣和氧化鎂,流程示意圖如圖4所示。

圖4

(1)白云石礦樣煅燒完全分解的化學方程式為____________________。

【分析】白云石是一種碳酸鹽礦物,加熱至700～900℃時會發(fā)生分解,生成氧化鈣、氧化鎂和二氧化碳,其中氧化鎂和氧化鈣的混合物稱為苛性鎂云石。本題即通過對苛性鎂云石進行溶浸處理,分離鈣、鎂元素,再經后續(xù)處理制得目標產物碳酸鈣和氧化鎂。

【例5】(2016年新課標Ⅲ卷,28題節(jié)選)以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生產硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為:

物質V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3質量分數/%2.2～2.92.8～3.122～2860～651～2<1

如圖5所示是一種廢釩催化劑回收工藝路線:

圖5

(6)“沉釩”得到偏釩酸銨(NH4VO3)沉淀,寫出“煅燒”中發(fā)生反應的化學方程式__________________________________________________。

【分析】接觸法制硫酸的過程中,釩催化劑由于物理失活、化學失活等原因,運行一段時間后,會發(fā)生衰老或中毒現象,進而影響生產效率,所以必須定時更換新的催化劑。棄掉的催化劑中還含有許多有經濟價值的金屬,可以進行回收利用。本題采用酸浸手段進行廢釩催化劑的濕法回收,經過一系列轉化后可從溶液中得到偏釩酸銨沉淀,經過煅燒失去NH3和H2O后即可制得再生釩催化劑。

3.燒結

燒結是指把粉狀物料轉變?yōu)橹旅荏w的過程,是粉末冶金、陶瓷、耐火材料、超高溫材料等工業(yè)生產的重要工序。通常在固相化學礦物中配加其他氧化劑或還原劑,并添加助熔劑,在高于爐料熔點的適當溫度下發(fā)生化學反應并促使其結塊。例如2017年新課標Ⅲ卷,27題即采取燒結措施進行了原料的預處理。

【例6】(2017年新課標Ⅲ卷,27題節(jié)選)重鉻酸鉀是一種重要的化工原料,一般由鉻鐵礦制備,鉻鐵礦的主要成分為FeO·Cr2O3,還含有硅、鋁等雜質。制備流程如圖6所示:

圖6

【答案】2∶7

【分析】鉻鐵礦指的是自然界里的鉻與鐵共生形成的鉻鐵尖晶石(FeO·Cr2O3),我國鉻鐵礦資源中粉礦約占80%,且品位(指礦石中有用成分或有用礦物的含量)較高。但是粉礦在冶煉過程中會導致爐料透氣性差、爐況翻渣等問題,嚴重影響各項技術經濟指標,所以冶煉前需將鉻鐵礦造塊。氧化、鈉鹽化燒結是鉻鐵礦造塊的主要工業(yè)方法。鉻鐵尖晶石的熔點很高,加入鈉鹽可以顯著降低其熔點,便于熔融結塊。且在有鈉鹽存在的條件下,穩(wěn)定的鉻鐵礦極易被氧化,有助于轉化為易溶于水的鉻酸鈉熔塊,燒結后的鉻鐵礦具有強度高、粒度均勻、高溫電阻率大等優(yōu)勢,可以有效節(jié)約能源、改善爐料透氣性等。

4.灼燒

將固體物質加熱到高溫以達到脫水、分解或除去揮發(fā)性雜質、有機物和銨鹽等目的的操作稱為灼燒。灼燒通常指的是實驗室里對固體進行的高溫操作,加熱儀器有酒精燈、煤氣燈或電爐等,如海帶提碘實驗中通過灼燒除去有機物,大學實驗室里還常用到電加熱套、管式爐和馬弗爐等。2018年4月浙江卷,27題即通過灼燒來確定化合物組成。

【例7】(2018年4月浙江卷,27題節(jié)選)某同學用含結晶水的正鹽X(四種短周期元素組成的純凈物)進行了如下實驗,如圖7所示:

圖7

(1)X的化學式是________,步驟①的化學方程式是__________________________________________________。

2019年全國Ⅰ卷,27題采用熱重分析法測定固體中的結晶水含量,熱重分析法是在控制一定溫度的條件下測量物質質量與溫度間關系的方法,其本質也是對化合物進行灼燒使其分解。

【例8】(2019年全國Ⅰ卷,27題節(jié)選)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源,變廢為寶,在實驗室中探究用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨:

(5)采用熱重分析法測定硫酸鐵銨晶體樣品所含結晶水數,將樣品加熱到150℃時失掉1.5個結晶水,失重5.6%。硫酸鐵銨晶體的化學式為________。

【答案】NH4Fe(SO4)2·12H2O

5.結語

通過上文舉例論述,“焙燒、煅燒、燒結、灼燒”雖均有加熱的含義,用法卻并不相同。其中“焙燒、煅燒、燒結”指的是工業(yè)生產中的操作,“灼燒”指的是實驗室里加熱固體除去試樣中有機物、銨鹽或其他揮發(fā)性組分的過程。“焙燒、煅燒、燒結”用法又有所區(qū)別,燒結是物料在熔融狀態(tài)下的化學轉化,目的是將物料結塊,便于后續(xù)操作;焙燒和煅燒是在低于爐料熔點的高溫下進行爐料處理的過程,其中焙燒指的是原料與空氣、氯氣、氫氣等氣體或添加劑發(fā)生化學反應,而煅燒僅是通過高溫使物質發(fā)生分解,是一種固體生成另一種固體和若干種氣體的過程。

因此,我們談回文首提到的高考題:

(2019年全國Ⅰ卷,26題節(jié)選)硼酸(H3BO3)是一種重要的化工原料,廣泛應用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工業(yè)。一種以硼鎂礦(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如圖8所示:

圖8

(4)由堿式碳酸鎂制備輕質氧化鎂的方法是____________________________________________________________________。