无机化工流程题的特点:
规律:主线主产品、分支副产品、回头为循环。
核心考点:物质的分离操作、除杂试剂的选择、生产条件的控制。
1.流程的呈现主要有以物质转化为主线,以操作过程为主线,甚至有时候会以设备为主线。
2.这类题常围绕以下几个知识点进行设问:
⑴ 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
⑵氧化还原反应的判断、化学方程式或离子方程式的书写;
⑶利用控制pH分离除杂;
⑷化学反应的能量变化;
⑸实验基本操作:除杂、分离、检验、洗涤、干燥等;
⑹流程中的物质转化和循环,资源的回收和利用;
⑺环境保护与绿色化学评价。
3.快速读题:
当拿到题目的时候,不要直接开始做,需要先看一下题目中给出的流程图和提供的产物和原料等信息,初步判断该流程的核心反应。看题时需要快速的浏览所有题目,给出的注释不能漏掉,题目中给出的注释中肯定含有重要信息。
另外,工业流程中的每个小题都有可能是独立存在的,所以在做题的过程中,需要特别注意判断小题给出的条件是针对全题的还是只针对这道小题。
一、原料处理的方法和作用
对原料进行预处理的常用方法及其作用:
1.粉碎、研磨:增大接触面积,加快反应速率,提高原料转化率、利用率、浸取率;
备注:增大接触面积的具体措施有:固体采用粉碎、研磨的方法;液体采用喷洒的方法;气体采用多孔分散器等
2.水浸:与水接触反应或溶解,分离水溶性和非水溶性的物质;
3.酸浸:通常用酸溶,如用硫酸、盐酸、浓硫酸等,与酸接触反应或溶解,使可溶性金属离子进入溶液,不溶物通过过滤除去。近年来,在高考题出现了“浸出”操作。在化工生产题中,矿物原料“浸出”的任务是选择适当的溶剂,使矿物原料中的有用组分或有害杂质选择性地溶解,使其转入溶液中,达到有用组分与有害杂质或与脉石组分相分离的目的。溶解金属,调节pH,促进离子水解转化呈沉淀等;
4.碱浸:去除油污,溶解酸性氧化物,溶解铝及其氧化物,调节pH等;
5.醇浸:为了提取有机物;
6.灼烧:除去可燃性杂质或使原料初步转化,如从海带中提取碘时的灼烧就是为了除去可燃性杂质,将有机碘转化为碘盐。使固体分解,反应或改变结构。
7.煅烧:改变结构和组成,使一些物质能溶解;并使一些杂质在高温下氧化、分解,如煅烧高岭土和石灰石。使固体分解,反应或改变结构。
二、掌握核心化学反应
1.元素及其化合物知识:化工生产将原料转变成产品的过程,也是物质经历相互转化的过程。理解物质之间的转化关系,就要用到元素及其化合物的相关知识。一般围绕铁、铜、铝、镁、氯、硫、磷、硅等元素的单质或化合物的工业制备来进行命题,需要掌握这些元素及其化合物的知识
2.还要掌握有关化工生产的知识,熟悉的有纯碱工业、氨工业、硅单质的制备、氯碱工业、海水中提取镁、海水中提取溴等;
3.化学反应原理:化工生产中把原料转变成产品的过程就是化学反应的过程,从化学反应原理的角度选择原料、控制条件和选择设备等,是化工生产的基本思路。化学反应原理的相关知识包括质量守恒定律、化学反应速率、化学平衡、电化学、化学热力学等,做到能综合运用这些知识分析化工生产中化学反应的情况。
①调节溶液的pH值:使某些离子转变为沉淀而达到分离的目的,抑制某些离子的水解,防止某些离子的氧化等。在题目中常以表格形式给出信息。
例如:已知下列物质开始沉淀和沉淀完全时的pH如下表所示
若要除去Mn2+溶液中含有的Fe2+,应该怎样做?
提示:先用氧化剂把Fe2+氧化为Fe3+,再调溶液的pH到3.7。
调节pH所需的物质一般应满足两点:
能与H+反应:使溶液pH值增大;
不引入新杂质:例如:若要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物质来调节溶液的pH值。
调节溶液的pH:“酸作用还可以除去氧化物(膜);“碱作用”还可以除去油污、除去铝片氧化物、溶解铝、二氧化硅。
②控制体系的温度
a.控制低温:防止物质的分解,如NaHCO3、NH4HCO3、H2O2、HNO3(浓)等;防止物质的挥发,如盐酸、醋酸等;抑制物质的水解,如冰水洗涤,以防止洗涤过程中的溶解损耗;增大气体反应物的溶解度,使其被充分吸收;
b.采取加热:加速某固体的溶解,加快反应速率;减少气体生成物的溶解并使其逸出;使平衡向需要的方向移动;趁热过滤,防止某物质降温时因析出而损耗或带入新的杂质;
c.控制范围:确保催化剂的催化效果,兼顾速率和转化率,追求更好的经济效益,防止副反应发生等。
③营造还原性的氛围:防止还原性物质被氧化,如Fe2+
三、明确反应原理
注意每一步在什么条件下,发生了什么反应,生成了什么物质,这些物质分别到哪里去了。如转化成了沉淀还是气体或生成了其他物质。
四、物质分离或提纯的方法
化工生产过程中分离提纯、除杂等环节,与高中化学基本实验的原理紧密联系,包括蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、烘干,或蒸馏、萃取、分液等基本实验操作及原理,并要熟悉所用到的相关仪器。
1.蒸发、反应时的气体氛围抑制水解:
如从溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶质时,应在HCl的气流中加热,以防其水解。
⑴ 蒸发浓缩、冷却结晶:如除去KNO3中的少量NaCl。
⑵ 蒸发结晶、趁热过滤:如除去NaCl中的少量KNO3。
2.搅拌、加热:加速溶解;增大接触物的反应面积;加快反应速率;对于吸热反应,加热时同时提高原料转化率
3.溶解法:
利用特殊溶剂把杂质溶解而除去,如Fe(Al)可用过量的NaOH溶液而除去Al,CO2(HCl、H2O)先通过饱和食盐水,再通过浓H2SO4。
3.沉淀法:
a.加合适的沉淀剂(要使杂质离子充分沉淀,加入的沉淀剂必须过量,且在后续步骤中容易除去);
b.调节溶液的酸碱性。
4.洗涤法:
a.水洗;
b.冰水洗:洗去晶体表面的杂质,并减少晶体在洗涤过程中的溶解损耗
c.有机溶剂洗。其目的是:洗去目标物表面的杂质离子;减少目标物的溶解损耗或增大有机杂质的溶解量;防止目标物形成结晶水合物;使晶体快速干燥。(常见的有酒精洗涤:洗去晶体表面的杂质,降低晶体的溶解度,使晶体快速干燥)
五、可循环物质的判断和流程评价
(一)可循环物质的判断
1.流程图中回头箭头的物质。
2.生产流程中后面新生成或新分离的物质(不要忽视结晶后的母液),可能是前面某一步反应的相关物质。
(二)对整个工艺流程从下列几个方面进行评价
1.体现绿色化学思想(使用无毒无害原料,采用原子利用率高的制备路线,原料的循环利用,副产物综合利用,节能等)。
2.高效节能方面(原料廉价,工艺简单,产品的纯度高,能耗低等)。
3.生成物或副产物的污染。
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