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【高考专题】化学工艺流程解题思路+真题!

中学化学园 2020-11-20 15:36:38


       化工流程题主要考查考生运用化学反应原理及相关知识来解决化工生产中实际问题的能力,具有考查知识面广、综合性强、思维容量大的特点。这类题型不但综合考查考生在中学阶段所学的元素及其化合物知识以及物质结构、元素周期律、氧化还原反应、化学用语、电解质溶液、化学平衡、电化学、实验操作等知识,而且更重要的是能突出考查考生的综合分析判断能力、逻辑推理能力,且这类试题陌生度高,文字量大,包含信息多,思维能力要求高,近年来已成为高考化学主观题中的必考题型。


    同时,我们在每周五的19:30-21:30,为高中的小伙伴提拱了免费答疑活动,如果你刷题时遇到不会的题目,欢迎加入qq群(67407999进行提问,并与其他的小伙伴一起交流、讨论,一起树立目标,一起努力!同时也欢迎高一、高二的小伙伴加入一起学习,为高三的总复习做好准备!


重要的化学工业:

侯氏制碱法、海水中提取镁、溴、碘等、铝土矿中提取铝、金属的冶炼、硫酸工业、硝酸工业、合成氨工业、硅酸盐工业、氯碱工业、煤的综合利用。


一、化工流程图的一般模式

工业流程题目在流程上一般分为三个过程:原料处理→分离提纯→获得产品

要点诠释:

1、规律:主线主产品,分支副产品,回头为循环。

2、核心考点:物质的分离操作、除杂试剂的选择、生成条件的控制等。

3、原料预处理(初步分离)

1)起到富集反应物的作用:

在无机题中,原材料是一种混合物,可能是矿石、某工厂废料或发生变质的材料等,整个实验过程或反应流程就是分离提纯,想办法提取有效元素。

2)工业流程常见的操作与名词:

①研矿:增大接触面积,使反应充分,提高反应速率

②溶解:通常用酸溶,如用硫酸、盐酸、浓硫酸等(有时可用碱溶,如铝矿溶解)。

水浸:与水接触反应或溶解。

浸出:固体加水()溶解得到离子浸出。

浸出率:固体溶解后离子在溶液中的含量的多少(更多转化

酸浸:在酸溶液中反应使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去的溶解过程。

③焙烧、灼烧或煅烧(结构改变更易溶解浸出;使一些杂质高温下氧化、分解)

吹出(利用空气吹出溶液中的气体)

④调pH值除杂:控制溶液的酸碱性使其中某些金属离子形成氢氧化物沉淀。

4、中间产品、终极产品的分离提纯

1)物理方法:溶解过滤、水洗、结晶、蒸馏 、萃取分液、升华、液化、盐析、渗析法 、电渗析、离子交换、吸附法、浮选法

2)化学方法:热分解法,酸、碱处理法,沉淀法 ,氧化还原法、电解法


二、考查知识点

(1)反应速率与平衡理论的运用; 
反应物颗粒大小:反应速率、原料的利用率等 
温度:反应速率、物质的稳定性、物质的结晶等 
(2)氧化还原反应的判断、化学方程式或离子方程式的书写; 
(3)利用控制pH分离除杂; 
(4)化学反应的能量变化(热化学方程式的书写); 
(5)实验基本操作:除杂、分离、检验、洗涤、干燥等; 
(6)流程中的物质转化和循环,资源的回收和利用; 
(7)环境保护与绿色化学评价。 


三、分析流程题需要的一般思路

流程类试题的结构分题头、题干和题尾三部分。

题头一般是简单介绍实验目的和原理或工艺生产的原材料和工艺生产的目的(包括附产品);题干部分主要用框图形式将操作或物质转换或原料到产品的主要生产工艺流程表示出来;题尾主要是根据流程中涉及到的化学知识设制成系列问题,构成一道完整的化学试题。

解答流程题的一般思路是:

浏览全题,确定该流程的目的,看懂生产流程图;了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息,并在下一步分析和解题中随时进行联系和调用;解析流程图并思考从原料到产品依次进行了什么反应,利用了什么原理。每一步操作进行到什么程度最佳,每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物,杂质或副产物是怎样除去的等等。要抓住一个关键点:一切反应或操作都是为获得产品而服务。

    解答流程题要注意的问题是:

    注意化学方程式的书写,反应物、产物的分子式书写要正确;化学方程式要配平,电极反应式和化学方程式一定要书写正确;等号或可逆符号不能少;沉淀、气体、固态、水溶液等符号要标明。注意评价或比较实验方案要全面,反应物种类多少、是否易得、是否对环境有污染;反应产物的种类多少,对目标产物的分离和提纯是否有影响;反应条件是否苛刻;仪器、设备是否要求高;工艺流程、实验步骤的多少。注意描述语言的规范性和准确性,从化学原理的角度、用化学语言作答;要抓住主要问题,针对具体问题作具体分析;要看清题目要求,按要求答题。


高考链接


1.【2016年高考北京卷】(12分)以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料,制备高纯PbO,实现铅的再生利用。其工作流程如下:

 

(1)过程Ⅰ中,在Fe2+催化下,Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是__________。[来源:学科网ZXXK]

(2)过程Ⅰ中,Fe2+催化过程可表示为:

i:2Fe2++PbO2+4H++SO42=2Fe3++PbSO4+2H2O

ii: ……

①写出ii的离子方程式:________________。

②下列实验方案可证实上述催化过程。将实验方案补充完整。

a.向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液,溶液几乎无色,再加入少量PbO2,溶液变红。

b.______________。

(3)PbO溶解在NaOH溶液中,存在平衡:PbO(s)+NaOH(aq)NaHPbO2(aq),其溶解度曲线如图所示。

①过程Ⅱ的目的是脱硫。滤液1经处理后可在过程Ⅱ中重复使用,其目的是_____(选填序号)。

A.减少PbO的损失,提高产品的产率

B.重复利用氢氧化钠,提高原料的利用率

C.增加Na2SO4浓度,提高脱硫效率

②过滤Ⅲ的目的是提纯,综合上述溶解度曲线,简述过程Ⅲ的操作_______________________。



【答案】(1)Pb + PbO2 + 2H2SO4==2PbSO4+ 2H2O。(2)①2Fe3+Pb+SO42==PbSO4+2Fe2

②取a中红色溶液少量,加入过量Pb,充分反应后,红色褪去。

(3)①A、B;②将粗PbO溶解在一定量35%NaOH溶液中,加热至110℃,充分溶解后,趁热过滤,冷却结晶,过滤、洗涤并干燥得到PbO固体。

【解析】

(1)根据题给化学工艺流程知,过程Ⅰ中,在Fe2催化下,Pb、PbO2和H2SO4反应生成PbSO4和水,化学方程式为Pb + PbO2+ 2H2SO42PbSO4+ 2H2O。

(2)①催化剂通过参加反应,改变反应历程,降低反应的活化能,加快化学反应速率,而本身的质量和化学性质反应前后保持不变。根据题给信息知反应i中Fe2被PbO2氧化为Fe3,则反应ii中Fe3被Pb还原为Fe2,离子方程式为2Fe3+Pb+SO42—==PbSO4+2Fe2

②a实验证明发生反应i,则b实验需证明发生反应ii,实验方案为取a中红色溶液少量,加入过量Pb,充分反应后,红色褪去。

(3)①过程Ⅱ脱硫过程中发生的反应为PbSO4+2NaOH==PbO+Na2SO4+H2O,而滤液Ⅰ中含有硫酸,可降低溶液的pH,使平衡:PbO(s)+NaOH(aq)NaHPbO2(aq)逆向移动,减少PbO的损失,提高产品的产率,同时重复利用NaOH,提高原料的利用率答案选AB;

②根据PbO的溶解度曲线,提纯粗Pb的方法为将粗PbO溶解在35%NaOH溶液中配成高温下的饱和溶液,降温结晶、过滤,洗涤并干燥即可得到PbO。


2.【2016年高考海南卷】(8分)KAl(SO4)2·12H2O(明矾)是一种复盐,在造纸等方面应用广泛。实验室中,采用废易拉罐(主要成分为Al,含有少量的Fe、Mg杂质)制备明矾的过程如下图所示。回答下列问题:

(1)为尽量少引入杂质,试剂①应选用___(填标号)。

A.HCl溶液    B.H2SO4溶液  C.氨水    D.NaOH溶液

(2)易拉罐溶解过程中主要反应的化学方程式为________。

(3)沉淀B的化学式为________;将少量明矾溶于水,溶液呈弱酸性,其原因是__________。

(4)已知:Kw=1.0×10-14,Al(OH)3AlO2-+H++H2O    K=2.0×10-13。Al(OH)3溶于NaOH溶液反应的平衡常数等于_________。



【答案】

(1)d      (2分)

(2)2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2+3H2↑(2分)

(3)Al(OH)3   Al3+水解,使溶液中H+浓度增大(每空1分,共2分)

(4)20 (2分)

【解析】(1)易拉罐(主要成分为Al,含有少量的Fe、Mg杂质),它们都是比较活泼的金属,都可以与酸发生反应,而Al可以与强碱溶液反应变为NaAlO2进入溶液,而Fe、Mg不能与碱发生反应,所以要以含Al的易拉罐为原料制取明矾,应该用强碱NaOH溶液溶解,选项d正确;Mg、Fe不溶解,会留在滤渣中;(2)易拉罐溶解过程中主要反应的化学方程式为2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2+3H2↑,反应的离子方程式是2Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2↑;(3)滤液A的主要成分是NaAlO2,向其水溶液中加入NH4HCO3溶液,AlO2-、NH4+发生盐的双水解反应,产生Al(OH)3沉淀和NH3·H2O,反应的方程式是AlO2-+2H2O+NH4+=Al(OH)3↓+NH3·H2O,所以沉淀B化学式为Al(OH)3;将少量明矾溶于水,溶液呈弱酸性,其原因是该盐是强酸弱碱盐,Al3+发生水解反应,消耗水电离产生的OH-,当最终达到平衡时溶液中c(H+)>c(OH-),所以溶液显酸性。(4)已知:Kw=1.0×10-14,Al(OH)3AlO2-+H++H2O    K=2.0×10-13。Al(OH)3溶于NaOH溶液反应的平衡常数K=



3.【2016年高考江苏卷】(12分)以电石渣[主要成分为Ca(OH)2和CaCO3]为原料制备KClO3的流程如下:

 

(1)氯化过程控制电石渣过量,在75℃左右进行。氯化时存在Cl2与Ca(OH)2作用生成Ca(ClO)2的反应,Ca(ClO)2进一步转化为Ca(ClO3)2,少量Ca(ClO)2分解为CaCl2和O2

①生成Ca(ClO)2的化学方程式为                   

②提高Cl2转化为Ca(ClO3)2的转化率的可行措施有       (填序号)。

A.适当减缓通入Cl2速率    

B.充分搅拌浆料  

C.加水使Ca(OH)2完全溶解

(2)氯化过程中Cl2 转化为Ca(ClO3)2的总反应方程式为6Ca(OH)2+6Cl2=Ca(ClO3)2+5CaCl2+6H2O

氯化完成后过滤。

①滤渣的主要成分为        (填化学式)。

②滤液中Ca(ClO3)2与CaCl2的物质的量之比n[Ca(ClO3)2] ∶n[CaCl2]       1∶5(填“>”、“<”或“=”)。

(3)向滤液中加入稍过量KCl固体可将Ca(ClO3)2转化为KClO3,若溶液中KClO3的含量为100g▪L-1,从该溶液中尽可能多地析出KClO3固体的方法是        



【答案】(1)①2Cl2+2Ca(OH)2=Ca(ClO)2+CaCl2+2H2O;②AB 

(2)①CaCO3、Ca(OH)2 ②<;

(3)蒸发浓缩、冷却结晶

【解析】(1)①氯气与氢氧化钙反应生成次氯酸钙、氯化钙和水,则生成Ca(ClO)2的化学方程式为2Cl2+2Ca(OH)2=Ca(ClO)2+CaCl2+2H2O。

②A.适当减缓通入Cl2速率可以使氯气被氢氧化钙充分吸收而反应,可以提高氯气的转化率,A正确;B.充分搅拌浆料可以增大反应物的接触面积,使氯气被氢氧化钙充分吸收而反应,可以提高氯气的转化率,B正确;C.加水使Ca(OH)2完全溶解氢氧化钙浓度降低,不利于氯气的吸收,C错误,答案选AB。

(2)①碳酸钙不溶于水,与氯气不反应,氢氧化钙微溶,因此滤渣的主要成分为CaCO3、Ca(OH)2

②由于氯气还能与氢氧化钙反应生成次氯酸钙、氯化钙和水,因此滤液中Ca(ClO3)2与CaCl2的物质的量之比n[Ca(ClO3)2] ∶n[CaCl2]<1∶5。

(3)根据图像可知氯酸钾的溶解度受温度影响最大,因此从该溶液中尽可能多地析出KClO3固体的方法是蒸发浓缩、冷却结晶。



4.【2016年高考四川卷】 (16分)资源的高效利用对保护环境、促进经济持续健康发展具有重要作用。磷尾矿主要含Ca5(PO4)3F和CaCO3·MgCO3。某研究小组提出了磷尾矿综合利用的研究方案,制备具有重要工业用途的CaCO3、Mg(OH)2、P4和H2,其简化流程如下:

已知:①Ca5(PO4)3F在950℃不分解;

②4Ca5(PO4)3F+18SiO2+30C2CaF2+30CO+18CaSiO3+3P4

请回答下列问题:

(1)950℃煅烧磷尾矿生成气体的主要成分是___________。

(2)实验室过滤所需的玻璃仪器是_____________。

(3)NH4NO3溶液能从磷矿I中浸取出Ca2+的原因是__________。

(4)在浸取液II中通入NH3,发生反应的化学方程式是____________。

(5)工业上常用磷精矿[Ca5(PO4)3F]和硫酸反应制备磷酸。已知25℃,101kPa时:

CaO(s)+H2SO4(l)=CaSO4(s)+H2O(l)                  

△H=-271kJ/mol

5 CaO(s)+H3PO4(l)+HF(g)= Ca5(PO4)3F (s)+5H2O(l)     

△H=-937kJ/mol

则Ca5(PO4)3F和硫酸反应生成磷酸的热化学方程式是_________________。

(6)在一定条件下CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),当CO与H2O(g)的起始物质的量之比为1:5,达平衡时,CO转化了5/6.若akg含Ca5(PO4)3F(相对分子质量为504)的质量分数为10%的磷尾矿,在上述过程中有b%的Ca5(PO4)3F转化为P4,将产生的CO与H2O(g)按起始物质的量之比1:3混合,则相同条件下达平衡时能产生H2________kg。



【答案】(1)CO2 

(2)漏斗、烧杯、玻璃棒。

(3)NH4水解使溶液呈酸性,与CaO、Ca(OH)2反应生成Ca2

(4)MgSO4+2NH3+2H2O===Mg(OH)2↓+(NH4)2SO4

(5)Ca5(PO4)3F(s)+ 5H2SO4(l)=5CaSO4(s) +H3PO4(l)+HF(g)   △H=-418kJ/mol。

(6)

【解析】(1)根据题给化学工艺流程和信息①知磷尾矿[主要含Ca5(PO4)3F和CaCO3·MgCO3]在950℃下煅烧,其中碳酸钙和碳酸镁分解,生成气体的成分为二氧化碳(CO2)。

(2)实验室过滤所需的玻璃仪器是烧杯、漏斗和玻璃棒。

(3)NH4NO3溶液中铵离子水解呈酸性,与CaO、Ca(OH)2反应生成Ca2

(4)根据化学工艺流程判断浸取液II的主要成分为硫酸镁溶液,通入NH3,发生反应的化学方程式是MgSO4+2NH3+2H2O===Mg(OH)2↓+(NH4)2SO4

(5)已知25℃,101kPa时:

①CaO(s)+H2SO4(l)=CaSO4(s)+H2O(l)                  ΔH =-271kJ/mol

②5 CaO(s)+3H3PO4(l)+HF(g)=Ca5(PO4)3F (s)+5H2O(l)     ΔH =-937kJ/mol

根据盖斯定律:①×5-②得Ca5(PO4)3F和硫酸反应生成磷酸的热化学方程式是Ca5(PO4)3F(s)+ 5H2SO4(l)=5CaSO4(s) +H3PO4(l)+HF(g)   ΔH =-418kJ/mol 。

则x2/(1-x)(3-x)=1,解得x=3/4,即达平衡时,CO转化了3/4。转化为P4的Ca5(PO4)3F质量为a×10%×b%kg,根据反应4Ca5(PO4)3F+18SiO2+30C2CaF2+30CO+18CaSiO3+3P4知生成CO的质量为(30×28×a×10%×b%)/(4×504)kg,则转化的CO的质量为3(30×28×a×10%×b%)/4(4×504)kg,根据反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)知相同条件下达平衡时能产生H23(30×28×a×10%×b%)/56(4×504)kg=kg。


 

5.【2016年高考新课标Ⅲ卷】(14分)过氧化钙微溶于水,溶于酸,可作分析试剂、医用防腐剂、消毒剂。以下是一种制备过氧化钙的实验方法。回答下列问题:

(一)碳酸钙的制备 

(1)步骤①加入氨水的目的是_______。小火煮沸的作用是使沉淀颗粒长大,有利于____。

(2)右图是某学生的过滤操作示意图,其操作不规范的是______(填标号)。

a.漏斗末端颈尖未紧靠烧杯壁

b.玻璃棒用作引流

c.将滤纸湿润,使其紧贴漏斗壁

d.滤纸边缘高出漏斗

e.用玻璃棒在漏斗中轻轻搅动以加快过滤速度

(二)过氧化钙的制备

(3)步骤②的具体操作为逐滴加入稀盐酸,至溶液中尚存有少量固体,此时溶液呈____性(填“酸”、“碱”或“中”。将溶液煮沸,趁热过滤。将溶液煮沸的作用是___________。

(4)步骤③中反应的化学方程式为________,该反应需要在冰浴下进行,原因是_________。

(5)将过滤得到的白色结晶依次使用蒸馏水、乙醇洗涤,使用乙醇洗涤的目的是_______。

(6)制备过氧化钙的另一种方法是:将石灰石煅烧后,直接加入双氧水反应,过滤后可得到过氧化钙产品。该工艺方法的优点是______,产品的缺点是_______。



【答案】(1)调节溶液pH使Fe(OH)3沉淀;过滤分离;(2)ade ;(3)酸;除去溶液中溶解的CO2

(4)CaCl2+2NH3·H2O+H2O2=CaO2↓+2NH4Cl+2H2O;温度过高时过氧化氢分解;

(5)去除结晶表面水分;(6)工艺简单、操作简单;纯度较低。

【解析】

(1)反应中盐酸过量,且溶液中含有铁离子,因此步骤①加入氨水的目的是中和多余的盐酸,沉淀铁离子;小火煮沸的作用是使沉淀颗粒长大,有利于过滤。

(2)a.过滤时漏斗末端颈尖应该紧靠烧杯壁,a错误;b.玻璃棒用作引流,b正确;c.将滤纸湿润,使其紧贴漏斗壁,防止有气泡,c正确;d.滤纸边缘应该低于漏斗,d错误;e.用玻璃棒在漏斗中轻轻搅动容易弄碎滤纸,e错误,答案选ade。

(3)步骤②的具体操作为逐滴加入稀盐酸,至溶液中尚存有少量固体,溶液中有二氧化碳生成,因此溶液呈酸性。溶液中含有二氧化碳,而过氧化钙能与酸反应,因此将溶液煮沸的作用是除去溶液中溶解的CO2

(4)根据原子守恒可知反应中还有氯化铵和水生成,则步骤③中反应的化学方程式为CaCl2+2NH3·H2O+H2O2=CaO2↓+2NH4Cl+2H2O;双氧水不稳定,受热易分解,因此该反应需要在冰浴下进行的原因是防止过氧化氢分解。

(5)过氧化钙不溶于乙醇,使用乙醇洗涤的目的是去除结晶表面的水分。

(6)制备过氧化钙的另一种方法是:将石灰石煅烧后,直接加入双氧水反应,过滤后可得到过氧化钙产品。该工艺方法的优点是原料来源丰富、操作方便,产品的缺点是得到产品的纯度较低。



6.【2016年高考新课标Ⅲ卷】(14分)

以硅藻土为载体的五氧化二钒(V2O5)是接触法生成硫酸的催化剂。从废钒催化剂中回收V2O5既避免污染环境又有利于资源综合利用。废钒催化剂的主要成分为:

物质

V2O5

V2O4

K2SO4

SiO2

Fe2O3

Al2O3

质量分数/%

2.2~2.9

2.8~3.1

22~28

60~65

1~2

<1

以下是一种废钒催化剂回收工艺路线:

回答下列问题:

(1)“酸浸”时V2O5转化为VO2+,反应的离子方程式为___________,同时V2O4转成VO2+。“废渣1”的主要成分是__________________。

(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2+变为VO2+,则需要氧化剂KClO3至少为______mol。

(3)“中和”作用之一是使钒以V4O124形式存在于溶液中。“废渣2”中含有_______。

(4)“离子交换”和“洗脱”可简单表示为:4ROH+ V4O124R4V4O12+4OH(以ROH为强碱性阴离子交换树脂)。为了提高洗脱效率,淋洗液应该呈_____性(填“酸”“碱”“中”)。

(5)“流出液”中阳离子最多的是________。

(6)“沉钒”得到偏钒酸铵(NH4VO3)沉淀,写出“煅烧”中发生反应的化学方程式____________。




【答案】(1)V2O5+2H=2VO2+H2O;SiO2;(2)0.5;(3)Fe(OH)3、Al(OH)3

(4)碱;(5)K;(6)2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑。

【解析】(1)“酸浸”时V2O5转化为VO2+,V元素化合价不变,说明不是氧化还原反应,根据原子守恒可知反应的离子方程式为V2O5+2H=2VO2+H2O;二氧化硅与酸不反应,则“废渣1”的主要成分是二氧化硅。

(2)“氧化”中欲使3 mol的VO2+变为VO2+,V元素化合价从+4价升高到+5价,而氧化剂KClO3中氯元素化合价从+5价降低到-1价,则根据电子得失守恒可知需要氯酸钾的物质的量为3mol÷6=0.5mol。

(3)“中和”作用之一是使钒以V4O124形式存在于溶液中,同时生成氢氧化铁、氢氧化铝沉淀,则“废渣2”中含有Fe(OH)3、Al(OH)3

(4)根据方程式可知为了提高洗脱效率,反应应该向逆反应方向进行,因此淋洗液应该呈碱性。

(5)由于前面加入了氯酸钾和氢氧化钾,则“流出液”中阳离子最多的是钾离子。

(6)根据原子守恒可知偏钒酸铵(NH4VO3)“煅烧”生成七氧化二钒、氨气和水,发生反应的化学方程式为2NH4VO3V2O5+H2O+2NH3↑。