工藝流程題解題策略

寧夏 李學(xué)強 尉言勛

工藝流程題解題策略

寧夏 李學(xué)強 尉言勛

工藝流程題，是將化工生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)階段用框圖形式表示出來，并根據(jù)生產(chǎn)流程中有關(guān)的化學(xué)知識進行設(shè)問，形成與化工生產(chǎn)緊密聯(lián)系的問題。這類題目主要有兩種形式：除雜或制取新物質(zhì)。由于其綜合性強，對學(xué)生的能力要求大，試題的信息量大，是近年高考的熱點題型，所占的分值重，區(qū)分度也很好。

一、工藝流程題一般結(jié)構(gòu)及試題特征

1．試題結(jié)構(gòu)

2．試題特征

二、工業(yè)流程題的解題策略

1．粗讀題，得目的，標(biāo)記有用信息

首先將題目從頭到尾粗讀一遍，初步了解大意。由于題頭一般是簡單介紹該工藝生產(chǎn)的原材料和工藝生產(chǎn)的目的（包括副產(chǎn)品），以及提供一些課本上未出現(xiàn)過但題中必需要用到的信息。因此要求先養(yǎng)成良好的做題習(xí)慣，閱讀題干時要隨手畫出目的及相關(guān)信息。

2．看箭頭，析過程

箭頭打進的是反應(yīng)物，打出的是生成物，有進又有出的是可循環(huán)利用的物質(zhì)。

3．細分析，看措施，推用意，理清關(guān)系

① 原料與產(chǎn)品：從某種原料出發(fā)，要得到最終產(chǎn)品，必須除去什么元素、引進什么元素？關(guān)注雜質(zhì)離子的去向及產(chǎn)品的生成，有時需要逆推。

② 步驟與目的：加入某種試劑，采取這樣的方法，其目的是什么？結(jié)合后面的問題進行思考。

③ 感覺與結(jié)果：有的步驟不能讀懂，這時主要看這一步的結(jié)果，“跟著感覺走”“順藤摸瓜”，從整體上把握題目，抓大放小。

④ 信息與遷移：新信息一般是重要的暗示和突破口，所給信息一定有用，但有時需分解、重組、遷移到本題中來。

三、解題時需要注意的套路

1．沉淀洗滌方法：向過濾器中加入蒸餾水（或其他溶劑）至浸沒固體，待水自然流下后，重復(fù)以上操作2～3次。

2．檢查沉淀是否洗滌干凈：取最后一次洗滌液少許（1～2mL）于試管中，滴入幾滴某溶液，若無某現(xiàn)象（一般為沉淀或氣體生成，便于觀察），則表明已經(jīng)洗滌干凈。

3．檢驗?zāi)畴x子是否沉淀完全：靜置，往上層清液中滴加某試劑，振蕩，觀察是否再產(chǎn)生沉淀?；蛘撸哼^濾，取少量上層清液于試管中，滴加某試劑，振蕩，觀察是否再產(chǎn)生沉淀。

4．從溶液中得到晶體：蒸發(fā)濃縮～冷卻結(jié)晶～過濾洗滌。

5．檢驗物質(zhì)：取樣～加試劑～說現(xiàn)象～得結(jié)論。

6．在描述除雜時，應(yīng)該注明“是為了除去某雜質(zhì)”。在描述顏色變化情況時，應(yīng)該寫明“某色變到某色”，如果是變成無色，可以只寫“褪色”。

7．控制溫度的目的：

①加熱——加快反應(yīng)速率（或溶解速率）；促進平衡向吸熱方向移動；除去熱穩(wěn)定性差的某物質(zhì)或易升華的某物質(zhì)。

②降溫——防止某物質(zhì)在高溫下會溶解或分解；使平衡向放熱方向移動；使某沸點高的物質(zhì)液化，使其與其他物質(zhì)分離；降低某晶體的溶解度，減少損失，增加產(chǎn)率。

③控溫，一般用水浴或油浴控溫——防止某物質(zhì)因溫度過高分解（或揮發(fā)）；為了使某物質(zhì)達到沸點揮發(fā)出來；使催化劑的活性達到最好；防止副反應(yīng)發(fā)生；受熱均勻，溫度可控，水浴溫度不超過100℃。

四、幾種常見的處理手段的操作和目的

1．原料預(yù)處理的常用方法

①研磨：增大反應(yīng)物接觸面，以增大反應(yīng)速率，并使反應(yīng)更充分。

②灼燒：原料的預(yù)處理，不易轉(zhuǎn)化的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為容易提取的物質(zhì)，如海帶中提取碘，使其中的有機物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O而除去。

③加酸：溶解、去氧化物（膜）、調(diào)節(jié)pH促進水解（沉淀）。

④加堿：去油污，去鋁片氧化膜，溶解鋁、SiO2，調(diào)節(jié)pH促進水解（沉淀）。

⑤煅燒：改變結(jié)構(gòu)，使一些物質(zhì)能溶解，并使一些雜質(zhì)，在高溫下氧化、分解，如煅燒高嶺土，使其中的Al2O3能溶于酸。

2．常用的控制反應(yīng)條件的方法

①水洗：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子（適用于溶解度小的溶質(zhì)）。

②冰水洗滌：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子，并減少晶體在洗滌過程中的溶解損耗（適用于高溫溶解度大、低溫溶解度小的溶質(zhì)）。

③有機物洗滌：洗去表面的雜質(zhì)離子，并減少晶體在洗滌過程中的溶解損耗，使其盡快干燥。

④煮沸：促進水解，聚沉后利于過濾分離；除去溶解在溶液中的氣體，如O2。

⑤控制pH：促進某離子水解，使其沉淀，利于過濾分離，如Fe3＋、Al3＋的沉淀。

⑥加氧化劑：氧化某物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為易于被除去的離子，如將Fe2＋轉(zhuǎn)換為Fe3＋。

3．產(chǎn)品的分離提純

①減壓蒸發(fā)（小心烘干）：常壓蒸發(fā)溫度過高，某物質(zhì)易于分解；減壓蒸發(fā)降低了蒸發(fā)溫度，可以防止物質(zhì)分解。

②結(jié)晶法：適用于分離可溶性混合物或除去可溶性雜質(zhì)，具體方法有2種：

分類 適用范圍 舉例 解釋蒸發(fā)結(jié)晶（蒸 發(fā) 溶劑）溶解度受溫度影響不大的固態(tài)物質(zhì)的提純提純混有少量硝酸鉀的氯化鈉先將混合物溶于水配成熱的飽和溶液，然后蒸發(fā)水分，會有氯化鈉晶體析出，當(dāng)有大量晶體析出時（不能蒸干），趁熱過濾，濾紙上的晶體就是氯化鈉，硝酸鉀留在濾液中降溫結(jié)晶（冷卻熱飽和溶液）溶解度受溫度影響較大的固態(tài)物質(zhì)的提純提純混有少量氯化鈉的硝酸鉀硝酸鉀的溶解度受溫度的影響較大，氯化鈉的溶解度受溫度影響較小，采用冷卻熱飽和溶液的方法使硝酸鉀結(jié)晶析出，從而與氯化鈉分離

五、典例賞析

例1 （2016新課標(biāo)Ⅲ）以硅藻土為載體的五氧化二釩（V2O5）是接觸法生成硫酸的催化劑。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(zhì) V2O5 V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 2．2～2．9 2．8～3．1 22～28 60～65 1～2 ＜1

以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線：

回答下列問題：

（1）“酸浸”時V2O5轉(zhuǎn)化為，反應(yīng)的離子方程式為________________，同時V2O4轉(zhuǎn)成VO2＋?！皬U渣1”的主要成分是________。

（2）“氧化”中欲使3mol的VO2＋變?yōu)?，則需要氧化劑KClO3至少為________mol。

（5）“流出液”中陽離子最多的是________。

（6）“沉釩”得到偏釩酸銨（NH4VO3）沉淀，寫出“煅燒”中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________。

【解析】題目流程清晰，從頭到尾粗讀一遍題目，了解大意。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，整個流程主要目的是除去雜質(zhì)，得到我們的目標(biāo)產(chǎn)物。怎么除去雜質(zhì)，每一步需要加入不同的物質(zhì)，在這個過程中，提出問題。

（1）由題意“酸浸”時V2O5轉(zhuǎn)化為，V元素化合價沒有發(fā)生變化，說明非氧化還原反應(yīng)，利用觀察法配平；SiO2只與氫氟酸反應(yīng)，不與硫酸反應(yīng)，所以“廢渣1”的主要成分是SiO2?！把趸敝杏?mol的VO2＋變?yōu)?，V元素的化合價從＋4價升高到＋5價，而氧化劑KClO3中氯元素化合價從＋5價降低到－1，則根據(jù)電子得失相等可知需要KClO3物質(zhì)的量。因為該工藝流程的目的是回收V2O5，“中和”作用之一是使釩以形式存在于溶液中，之二是把雜質(zhì)Fe3＋、Al3＋以Fe（OH）3、Al（OH）3的形式除去。（4）根據(jù)方程式可知，為了提高洗脫效率，反應(yīng)應(yīng)該向逆反應(yīng)方向進行，因此淋洗液應(yīng)該呈堿性。（5）由于前面加入了氯酸鉀和氫氧化鉀，則“流出液”中陽離子最多的是鉀離子。（6）由流程箭頭方向已知NH4VO3“煅燒”生成V2O5，根據(jù)原子守恒可知還應(yīng)有NH3和H2O。

【答案】

例2 （2015新課標(biāo)Ⅰ）硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦（主要成分為Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等）為原料制備硼酸（H3BO3）的工藝流程如圖所示：

回答下列問題：

（1）寫出Mg2B2O5·H2O與硫酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________。為提高浸出速率，除適當(dāng)增加硫酸濃度濃度外，還可采取的措施有______________________（寫出兩條）。

（2）利用_________的磁性，可將其從“浸渣”中分離。“浸渣”中還剩余的物質(zhì)是_________________（化學(xué)式）。

（3）“凈化除雜”需先加H2O2溶液，作用是__________ _______________________。然后在調(diào)節(jié)溶液的pH約為5，目的是________________________________________________。

（4）“粗硼酸”中的主要雜質(zhì)是________（填名稱）。

（5）以硼酸為原料可制得硼氫化鈉（NaBH4），它是有機合成中的重要還原劑，其電子式為________。

（6）單質(zhì)硼可用于生成具有優(yōu)良抗沖擊性能硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼，用化學(xué)方程式表示制備過程：______________________________________________。

【解析】工藝流程清晰，題目的設(shè)置其實就是對混合物的除雜、分離并制取新物質(zhì)。當(dāng)遇到這一類題時，要求學(xué)生認清該流程的目的是什么？一般題目中會告訴我們混有的雜質(zhì)有哪些，該題中鐵硼礦（主要成分為Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等），那么解題的過程實際上就是除去硼以外的其他元素，進而制取H3BO3。

第①步為酸浸 ，不溶于酸的物質(zhì)進行過濾。

第②步凈化除雜，加氧化劑 H2O2把Fe2＋氧化為Fe3＋，然后調(diào)節(jié)pH，進而出去Fe3＋。

第③步考查蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾得到產(chǎn)品H3BO3。

（1）先分析Mg2B2O5·H2O中B的化合價為－3，聯(lián)系到流程圖中最終產(chǎn)物硼酸是弱酸，硼酸中B也是－3價，符合強酸制取弱酸的原理，應(yīng)該是復(fù)分解反應(yīng)。然后模仿碳酸鹽和強酸反應(yīng)即可；為提高浸出速率，除適當(dāng)增加硫酸濃度，還可采取提高反應(yīng)溫度、減小鐵硼礦粉顆粒徑等措施。（2）Fe3O4有磁性，可利用磁性將其從“浸渣”中分離；硫酸酸浸時，SiO2不反應(yīng)，氧化鈣與硫酸反應(yīng)生成微溶于水的硫酸鈣，浸渣中一定含有SiO2和CaSO4。（3）“凈化除雜”先加H2O2溶液，其作用是把Fe2＋氧化為Fe3＋，然后調(diào)節(jié)pH約為5，使Al3＋、Fe3＋以Al（OH）3、Fe（OH）3形式出去。過濾后得到粗產(chǎn)品，“粗硼酸”表面的雜質(zhì)主要為沒有除去的易溶性鎂鹽，聯(lián)想到七水硫酸鋅或者七水硫酸亞鐵等礬類物質(zhì)，進行模仿類推，為（七水）硫酸鎂。（4）電子式知識的考查。（6）高溫下酸分解為酸酐，再聯(lián)想Mg與CO2的置換反應(yīng)即可。這種復(fù)合反應(yīng)類型和原理的陌生反應(yīng)，主要考查學(xué)生類推遷移能力。

【答案】（1）Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋ 2H3BO3攪拌礦粉 升高溫度

（2）Fe3O4SiO2

（3）氧化溶液中的Fe2＋除去溶液中的Al3＋和Fe3＋

（4）硫酸鈣

總之，化工流程題圖題情景新穎、綜合程度高、考查知識點范圍廣，但重點考查的還是化學(xué)主干知識以及學(xué)生的思維能力和遷移能力。只要立足課本，加強基礎(chǔ)知識和基本技能的訓(xùn)練，對題目從整體和局部進行分析，讀好題、審準(zhǔn)題，充分利用、挖掘題目給予的新信息，相信一定會取得滿意的成績。

（作者單位：寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）