化學(xué)工藝流程題中常考考點及解題策略

劉凌燕

化學(xué)工藝流程題是全國各地高考試題中不可或缺的重要題型，常以現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)為信息背景，命題角度涉及元素化合物性質(zhì)及轉(zhuǎn)化、化學(xué)實驗中的分離和提純、化學(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)計算等重要知識，該類題考查知識面廣、考查能力多、實用性和綜合性強。所以對這類題型進行系統(tǒng)分析，提出應(yīng)對化學(xué)工藝流程題的解題策略和復(fù)習策略非常必要。

一、解題方法及常考考點

（1）熟悉化學(xué)工藝流程題的結(jié)構(gòu)，掌握解題方法和步驟。

化學(xué)工藝流程題的結(jié)構(gòu)主要包含四個過程：對原料的預(yù)處理、發(fā)生核心化學(xué)反應(yīng)、粗產(chǎn)品的分離和提純、最后得到目標產(chǎn)物?？偟闹笇?dǎo)思想就是：原料易得、利用率高;所得產(chǎn)品更純、產(chǎn)率更高;更經(jīng)濟、更環(huán)保。

解題時首先要抓住一個關(guān)鍵點：一切反應(yīng)或操作都是為獲得產(chǎn)品而服務(wù)。解答時先從題干中獲取有用信息，了解原料及需要生產(chǎn)的產(chǎn)品。

其次最關(guān)鍵的步驟是分析流程圖，基本方法如下：①整體瀏覽一下流程，基本辨別出預(yù)處理、反應(yīng)、提純、分離等階段。②分析流程中的每一步驟及操作目的，根據(jù)箭頭的指入和條件確定發(fā)生的核心化學(xué)反應(yīng)。分析該反應(yīng)對最終的目標產(chǎn)品的作用和影響。以及在后續(xù)的操作中應(yīng)該如何處理前面步驟產(chǎn)生的影響？同時注意分析外界條件的影響，主要從以個幾個方面考慮：對反應(yīng)速率有何影響？對平衡轉(zhuǎn)化率有何影響？對綜合生產(chǎn)效益有何影響？③了解流程中各步驟的目的和反應(yīng)后著手答題。要善于從問題中獲取信息，幫助解題。解答時緊緊圍繞總的指導(dǎo)思想去分析和突破。

對于比較陌生且復(fù)雜的流程圖，需要宏觀把握整個流程，可針對每一小問的問題，只分析涉及的步驟或聯(lián)系該步驟前后操作作出分析即可，不必把每個環(huán)節(jié)的原理都弄清楚。

流程題中的設(shè)問一般相對獨立，無連帶效應(yīng)，一個問題解決不了不會影響下一個問題的解決。題中基本上都有與流程無關(guān)的問題，可直接作答;與流程有關(guān)的問題，回到流程圖中找答案;對于超綱知識，題目中要么有信息提示，要么與解答題目無關(guān)。掌握流程題的解題方法及設(shè)問中的答題特點，可以有效提高得分率。

（2）明確?？疾僮鞑襟E及目的。

（3）明確?？伎刂品磻?yīng)條件的方法及答題考慮角度。

（4）明確?？嘉镔|(zhì)的成分及判斷方法。

①循環(huán)物質(zhì)的判斷：指后面反應(yīng)步驟中的生成物，同時又是前面反應(yīng)步驟中的反應(yīng)物。注意可逆反應(yīng)的反應(yīng)物也可以循環(huán)利用。如果有箭頭指向，也可以看箭頭的方向，一般是后面步驟中的箭頭往回指對應(yīng)的物質(zhì)。

②副產(chǎn)品的判斷：首先是生成物，不是反應(yīng)物。不是主產(chǎn)品，是支線的副產(chǎn)品，且是對人類生產(chǎn)和生活有用的、無毒、不污染環(huán)境的物質(zhì)。

③濾渣和濾液成分的判斷：要考慮樣品中原料和雜質(zhì)的成分在每一步驟中與每一種試劑反應(yīng)的情況：哪些物質(zhì)或離子發(fā)生了反應(yīng)，產(chǎn)生了哪些新物質(zhì)或離子？同時注意所加試劑是否過量，分析過量和不過量對應(yīng)下的反應(yīng)。以及在每一步驟中反應(yīng)物和產(chǎn)物的溶解性，分析存在濾渣中還是濾液中。還需要注意過量試劑和產(chǎn)生的新物質(zhì)和離子在后緒步驟中的影響。最重要的是在判斷成分時緊緊圍繞得到目標產(chǎn)品而分析。

二、工業(yè)流程題中幾個重要考點的解題策略和備考建議

（1）晶體的制備及方法。

首先能根據(jù)物質(zhì)的溶解度判斷結(jié)晶的方法：溶解度受溫度影響較小的一般采取蒸發(fā)結(jié)晶的方法;溶解度受溫度影響較大或帶有結(jié)晶水的鹽一般采取蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶的方法。明確常考點有：判斷結(jié)晶方法、得到晶體的一系列操作、根據(jù)溶解度曲線分析問題。下面通過實例分析。

【例1】利用水鈷礦（主要成分為Co2O3，含少量Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO、CaO、SiO2等）可以制取多種化工試劑，以下為草酸鈷晶體和氯化鈷晶體的制備流程，回答下列問題：

已知：①浸出液中含有的陽離子主要有H+、Co2+、Fe2+、Mn2+、Al3+、Mg2+、Ca2+等。

②沉淀Ⅰ中只含有兩種沉淀。回答下列問題：

（4）操作Ⅰ包括：將水層加入濃鹽酸調(diào)整pH為2～3，_____、_____、_____、洗滌、減壓烘干等過程。

解題思路：得到純凈的晶體一般包括過濾、洗滌、干燥等基本步驟，但這小問中有三個空要填，所以要仔細審題分析后再做答。通過審題可知是經(jīng)過操作Ⅰ由溶液得到帶結(jié)晶水合物的鹽，故除題中已知過程外，操作Ⅰ還包括蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾。

備考建議：學(xué)生首先要熟記結(jié)晶的一般規(guī)律和方法等必備知識，還要提高審題能力，解題時緊扣信息、抓住關(guān)鍵、規(guī)范和準確答題，同時用正確的化學(xué)術(shù)語及文字等表述。在高考中沒有千遍一律的答案，即使是考查同一個知識點，也可以是從不同的角度去命題。

【例2】三鹽基硫酸鉛（3PbO·PbSO4·H2O，不溶于水）主要適用于不透明的聚氯乙烯硬質(zhì)管、注射成型制品，也可用于人造革等軟質(zhì)制品。以鉛泥（主要成分為PbO、Pb及PbSO4等）為原料制備三鹽的工藝流程如圖2所示。

已知：Ksp（PbSO4）=1.82×10-8，Ksp（PbCO3）=1.46×10-13回答下列問題：

（2）根據(jù)圖溶解度曲線（g/100g水），由濾液I得到Na2SO4固體的操作為將“濾液1”____、____、用乙醇洗滌后于燥。

解題思路：由題可知濾液1中含有Na2CO3和Na2SO4等成分，結(jié)合圖像分析可知，溫度較高時析出硫酸鈉，溫度較低時析出硫酸鈉結(jié)晶水合物，且硫酸鈉晶體析出時溫度越高，溶解度越小;因此由濾液I得到Na2SO4固體的操作為將“濾液1”蒸發(fā)（升溫）結(jié)晶、趁熱過濾。趁熱過濾是為了防止溫度降低時析出其他晶體，洗滌晶體時用乙醇洗滌避免形成結(jié)晶水合物。

備考建議：在復(fù)習溶解度時不但要求學(xué)生能掌握一般的溶解度曲線，還要能分析一些不常見或變化復(fù)雜的曲線、提升圖像分析能力。在化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)證據(jù)推理和模型認知中指出：能對復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋和解決復(fù)雜的化學(xué)問題。學(xué)生要掌握晶體制備的一般步驟和方法的答題模型，且能在復(fù)雜溶解度圖像中能判斷和選擇相應(yīng)的模型來解答問題。

（2）有關(guān)pH調(diào)節(jié)。

在《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中學(xué)過用調(diào)pH的方法除去硫酸銅中的鐵離子，具體方法是加入CuO、Cu（OH）2、Cu2（OH）2CO3等物質(zhì)與H+反應(yīng)，使溶液pH增大;促使鐵離子完全轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵沉淀達到去除的目的。這就是調(diào)pH的原型，在化工流程題中也?？疾橛谜{(diào)pH的方法除某些金屬陽離子。但是解題時要明確調(diào)pH的目的有很多，要結(jié)合題目綜合分析去判斷目的所在。下面通過實例分析。

【例3】（2017·全國卷Ⅲ，27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(zhì)。制備流程如圖4所示：

回答下列問題：

（1）步驟①的主要反應(yīng)為FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3 ■ Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2

上述反應(yīng)配平后FeO·Cr2O3與NaNO3的系數(shù)比為_____。

（2）濾渣1中含量最多的金屬元素是______，濾渣2的主要成分是______及含硅雜質(zhì)。

（3）步驟④調(diào)濾液2的pH使之變_____（填“大”或“小”），原因是_____（用離子方程式表示）。

解題思路：根據(jù)題目意圖要除去Fe、Si、Al元素等雜質(zhì)得到目標產(chǎn)品。在熔融氧化過程中已知主要反應(yīng)為FeO·Cr2O3+Na2CO3+NaNO3 ■ Na2CrO4+Fe2O3+CO2+NaNO2，卻難以判斷Si、Al元素等雜質(zhì)是否發(fā)生了反應(yīng)，生成了什么產(chǎn)物。在第（2）中出現(xiàn)了濾渣1的成分判斷，根據(jù)已知反應(yīng)可知濾渣1為Fe2O3，則含量最多的金屬元素是鐵元素;同時在第（2）中還出現(xiàn)濾渣2的成分的判斷，結(jié)合濾液1調(diào)節(jié)pH=7后，Al3+會變?yōu)锳l（OH）3沉淀而除去，故濾渣2的主要成分是Al（OH）3和含硅雜質(zhì)。濾液2中主要成分是Na2CrO4，濾液3中的主要成分應(yīng)為Na2Cr2O7，則第④步調(diào)節(jié)pH的作用是使Na2CrO4轉(zhuǎn)化為Na2Cr2O7，離子方程式為2Cr■+2H+？葑Cr2■+H2O，故應(yīng)調(diào)節(jié)pH使之變小酸性越強越利于Na2CrO4轉(zhuǎn)化為Na2Cr2O7。

備考建議：學(xué)生在解題中習慣定性思維，用固有的模式答題，容易認為是將溶液pH調(diào)大，而可能進入答題誤區(qū)。解題時首先要打破固有思維，提高獨立思考和分析能力，具備科學(xué)探究和創(chuàng)新能力。當然，學(xué)生仍需熟悉調(diào)pH常見考查形式：調(diào)pH的目的、調(diào)pH需要加入的物質(zhì)等。掌握調(diào)pH常用于使某些金屬離子形成氫氧化物沉淀。調(diào)節(jié)pH所需的物質(zhì)一般應(yīng)滿足兩點：能與H+反應(yīng)，使溶液pH增大;不引入新雜質(zhì)。

【例4】鎵是制作高性能半導(dǎo)體的重要原料。工業(yè)上常從鋅礦冶煉的廢渣中回收鎵。已知某鋅礦渣主要含Zn、Si、Pb、Fe、Ga的氧化物，利用該礦渣制鎵的工藝流程如下：

已知：①鎵在元素周期表中位于第四周期第ⅢA，化學(xué)性質(zhì)與鋁相似。②lg2=0.3，lg3=0.48。③部分物質(zhì)的Ksp如下表所示。回答下列問題

（3）調(diào)pH的目的是____;室溫條件下，若浸出液中各陽離子的濃度均為0.01mo/L，當溶液中某種離子濃度小于1×10-5mol/L時即認為該離子已完全除去，則pH應(yīng)調(diào)節(jié)的范圍_______。

解題思路：Ga的性質(zhì)與Al相似，鋅礦渣中加入H2SO4，充分反應(yīng)，其中Zn、Fe、Ga轉(zhuǎn)化為可溶于水的ZnSO4、FeSO4、Ga2（SO4）3，Pb轉(zhuǎn)化成難溶于水的PbSO4，SiO2與H2SO4不反應(yīng)。向浸出液中加入H2O2，H2O2將Fe2+氧化成Fe3+，然后調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe3+、Ga3+轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀與Zn2+分離。Fe（OH）3和Ga（OH）3屬于同種類型，Ksp[Ga（OH）3]>Ksp[Fe（OH）3]，Ga3+完全沉淀時Fe3+已經(jīng)完全沉淀，濃度小于1×10-5mol/L，c（OH）=■=■=3×10-9mol/L，c（OH+）=■×10-5mol/L，pH=lg■×10-5=5.48，Zn2+開始沉淀時c（OH-）=■=■=4×10-8mol/L， c（OH+）=■×10-6mol/L，則pH=-lg■×10-6=6.6，則pH應(yīng)調(diào)節(jié)的范圍為5.48

備考建議：溶度積的應(yīng)用和計算是沉淀溶解平衡中一個非常重要的知識點，在考綱中不僅要理解溶度積的含義，也要能進行相關(guān)的計算。學(xué)生還要能判斷混合溶液中多種離子沉淀的先后順序以及pH的相關(guān)計算，同時要求學(xué)生能掌握計算的一般規(guī)律和步驟，提高數(shù)學(xué)運算能力，才能準確地計算出結(jié)果。

（3）關(guān)于物質(zhì)成份的判斷。

【例5】某地煤矸石經(jīng)預(yù)處理后主要含SiO2（61%）、Al2O3（30%）和少量的Fe2O3、FeO及鈣鎂化合物等。某實驗小組利用其提取Al（OH）3。

（1）濾渣Ⅱ的主要成分是CaCO3、Mg（OH）2和________。

（2）上述流程中可循環(huán)利用的物質(zhì)的化學(xué)式是________。

解題思路：（1）稀鹽酸酸浸時發(fā)生的反應(yīng)有Al2O3+6H+=2Al3++3H2O、Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O、FeO+2H+=Fe2++H2O，過濾后得到的濾渣Ⅰ為SiO2。向濾液中通入氯氣，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+。水解時加入碳酸鈉，CO3 2-可以促進Al3+、Fe3+、Mg2+的水解，生成氫氧化物沉淀和CO2，同時還能和Ca2+生成CaCO3沉淀。加入NaOH溶液，Al（OH）3溶解，過濾后得到的濾渣Ⅱ為CaCO3、Mg（OH）2和Fe（OH）3。濾液中含有NaAlO2，通入二氧化碳轉(zhuǎn)化時發(fā)生的反應(yīng)為AlO-2+CO2+2H2O=Al（OH）3↓+HCO-3或2AlO-2+CO2+3H2O=2Al（OH）3↓+CO3 2-，過濾得到Al（OH）3，母液Ⅱ中含有NaHCO3或Na2CO3。（2）水解時生成二氧化碳氣體、轉(zhuǎn)化時需要二氧化碳，水解時需要碳酸鈉、轉(zhuǎn)化時得到碳酸氫鈉或碳酸鈉，所以能循環(huán)利用的是CO2、Na2CO3。

備考建議：本題考查了常見金屬氧化物和二氧化硅與酸的反應(yīng)、氯氣氧化亞鐵的反應(yīng)、典型的雙水解反應(yīng)、氫氫化鋁與強堿的反應(yīng)、二氧化碳與偏鋁酸鈉的反應(yīng)等。這些反應(yīng)基本上都是教材中學(xué)過的反應(yīng)，所以備考復(fù)習時一定要將元素及其化合物的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化這部分內(nèi)容做重點復(fù)習。重視知識的應(yīng)用，善于從基本概念和反應(yīng)原理的角度分析流程中的元素化合物知識。還需要關(guān)注元素化合物知識與生產(chǎn)和生活的聯(lián)系。總之，扎實學(xué)好元素化合物的知識是做好化學(xué)工藝流程題的根基。另外在判斷成分時要前后聯(lián)系，注意各步反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)和操作目的，關(guān)注流程中的箭頭指向，準確作出判斷。

三、工業(yè)流程題分類突破

題型一：提純類化工流程題

【例6】（2018·全國卷Ⅱ，26）我國是世界上最早制得和使用金屬鋅的國家。一種以閃鋅礦（ZnS，含有SiO2和少量FeS、CdS、PbS雜質(zhì)）為原料制備金屬鋅的流程如圖7所示：

相關(guān)金屬離子[c0（Mn+）=0.1 mol·L-1]形成氫氧化物沉淀的pH范圍如下：

回答下列問題：

（1）焙燒過程中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。

（2）濾渣1的主要成分除SiO2外還有________;氧化除雜工序中ZnO的作用是_______，若不通入氧氣，其后果是_________。

（3）溶液中的Cd2+可用鋅粉除去，還原除雜工序中反應(yīng)的離子方程式為______________。

（4）電解硫酸鋅溶液制備單質(zhì)鋅時，陰極的電極反應(yīng)式為______;沉積鋅后的電解液可返回_____工序繼續(xù)使用。

解題思路：焙燒過程中主要為ZnS和O2反應(yīng)得到ZnO和SO2，加入稀H2SO4酸浸后發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)：ZnO+H2SO4=ZnSO4+H2O、Fe2O3+3H2SO4= Fe2（SO4）3+3H2O、CdO+H2SO4= CdSO4+H2O、PbO+H2SO4=PbSO4+H2O。其中SiO2和PbSO4不溶于水，所得濾渣中含有SiO2和PbSO4。氧化除雜工序中O2能將Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，有利于除雜，加入ZnO能消耗H+，調(diào)節(jié)溶液的pH，促進Fe3+水解，所得濾渣2為Fe（OH）3。加入Zn粉，發(fā)生反應(yīng)Zn+Cd2+= Zn2++Cd。過濾后的濾液中主要含ZnSO4，ZnSO4經(jīng)電解后生成單質(zhì)Zn。陰極放電的是Zn2+和H+。因為溶液中的Zn2+濃度較大，所以陰極電極反應(yīng)式應(yīng)該是Zn2++2e- = Zn，陽極放電的是OH-，電極反應(yīng)式是4OH--4e-=2H2O+O2↑。沉積鋅后的溶液應(yīng)該是ZnSO4和稀H2SO4，可返回到溶浸工序循環(huán)使用。

答案：（1）2ZnS+3O2■2ZnO+2SO2? （2）PbSO4 調(diào)節(jié)溶液的pH 無法除去雜質(zhì)Fe2+

（3）Cd2++Zn= Cd+Zn2+ （4）Zn2++2e-=Zn 溶浸

題型二：制備類化工流程題

【例7】[2018·全國卷Ⅰ，27（1）（2）]焦亞硫酸鈉（Na2S2O5）在醫(yī)藥、橡膠、印染、食品等方面應(yīng)用廣泛?；卮鹣铝袉栴}：

（1）生產(chǎn)Na2S2O5，通常是由NaHSO3過飽和溶液經(jīng)結(jié)晶脫水制得。寫出該過程的化學(xué)方程式：______________。

（2）利用煙道氣中的SO2生產(chǎn)Na2S2O5的工藝為：

①pH=4.1時，Ⅰ中為_____溶液（寫化學(xué)式）。

②工藝中加入Na2CO3固體、并再次充入SO2的目的是______。

解題思路：（1）根據(jù)題給信息，將NaHSO3過飽和溶液結(jié)晶脫水可得到Na2S2O5，則化學(xué)方程式為2NaHSO3=Na2S2O5+H2O。（2）①SO2與Na2CO3溶液反應(yīng)可能生成Na2SO3也可能生成NaHSO3，因Na2SO3溶液顯堿性，I中溶液顯弱酸性，所以生成的是NaHSO3。②審題時抓住“生產(chǎn)Na2S2O5，通常是由NaHSO3過飽和溶液經(jīng)結(jié)晶脫水制得”，則工藝中加入Na2CO3固體、并再次充入SO2的目的是得到NaHSO3過飽和溶液。

答案：（1）2NaHSO3=Na2S2O5+H2O（2）①NaHSO3 ②得到NaHSO3過飽和溶液

責任編輯 李平安