摭谈解答化学工业流程题之一二三四

王开山

化学工业流程题以原料充分利用和产品制备为目的，融原料、方法、技术、产品等要素，以简洁的流程图形式给出了从原料到目标产品的制备过程.该类型试题涉及物质的转化、除杂、产品提纯等过程，能很好地考查学生对基本实验操作、常见元素及其化合物性质和反应原理的掌握程度，也能很好地考查学生思维的敏锐性、有序性、完整性以及变化观念和社会责任等核心素养，是近年化学高考必考题型.

笔者在平时教学中通过以下四个方面来指导学生高效解答工业流程试题，取得了很好的效果，现与各位同行交流.

1.明确一个目标产品

工业流程中的一切反应或操作都是为获得产品而服务的.首先要明确工业流程题最后的目标产品是什么，这样就可以快速确定转化过程中要保护的元素和要分离除去的元素.目标产品明确了，就有了转化的主线.

2.紧抓二个关键步骤

转化 从原料中的核心元素到目标产品的过程往往涉及到多步转化，根据核心元素的化合价是否发生变化就可确定是否涉及到氧化还原反应.

除杂 原料中除了核心元素以外，其他杂质主要是根据其物理和化学性质采取灼烧、水溶、酸溶、碱溶、调节pH、置换等步骤和操作将其除去.

3.坚持三个重要原则

节约原则 为了培养学生节俭习惯，要注意试剂的循环使用，避免浪费.核心元素到最终产品所需的转化试剂也要选择常见的，低成本的.

环保原则 在原料转化过程中要考虑尽可能少或不产生污染性的物质.如产生了污染性物质，要及時进行处理，避免污染环境.

不引杂原则 物质在转化过程中与所加试剂反应后不能引入新的杂质或引入的新杂质在后续步骤中要容易除去.

4.关注四个高频考点

除杂方法 除杂方法主要有焙烧（焙烧作用一般有：①将块状固体转化为粉末状;②与氧气反应除去一些易转化为气体的元素，如C、S、N等;③与其它试剂发生反应，完成部分成分的转化.）;酸浸（酸浸一般可将原料中金属氧化物转化为可溶于水的金属阳离子，也可将SiO2等与常见酸不反应的杂质除去）;碱浸（碱浸一般可除去原料表面的油污等，也可将SiO2、Al2O3等转化为易溶物，通过过滤与其它固体分离）;调节pH（调节pH的过程就是将金属阳离子不断沉淀的过程）.

计算 主要考查①金属阳离子开始沉淀及沉淀完全时的pH;②金属阳离子的浓度.

转化原理 考查产品或杂质转化时的反应方程式.

产品提纯 目标产品需要通过结晶、过滤、洗涤、干燥等步骤进行提纯.

真题赏析：

例1 （2021年全国乙卷题26）磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3.为节约和充分利用资源，通过如图1所示工艺流程回收钛、铝、镁等.

图1

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见表1.

表1

金属离子Fe3+Al3+

Mg2+Ca2+开始沉淀的pH2.23.59.512.4

沉淀完全（c=1.0×10-5mol瘙簚L-1）的pH3.24.711.113.8

回答下列问题：

（1）“焙烧”中，TiO2、SiO2几乎不发生反应，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应的硫酸盐.写出Al2O3转化为NH4Al（SO4）2的化学方程式.

（2）“水浸”后“滤液”的pH约为2.0，在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6，依次析出的金属离子是.

（3）“母液①"中Mg2+浓度为mol瘙簚L-1.

（4）“水浸渣”在160℃“酸溶”，最适合的酸是.“酸溶渣”的成分是、.

（5）“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热，TiO2+水解析出TiO2瘙簚H2O沉淀，该反应的离子方程式是.

（6）将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得，循环利用.

分析 该工业流程的目标产品是TiO2瘙簚xH2O和各种沉淀.核心元素Ti化合价未发生改变，转化过程中无氧化还原反应.转化过程中所加的试剂都比较常见，不会引入难处理的杂质.通过对后续试剂的处理也实现了试剂的循环使用.问题的设置主要考查了通过外加试剂实现部分成分的转化、通过调节pH实现金属阳离子的分步沉淀、一定pH下金属阳离子浓度的计算及尾气处理和试剂的循环利用等.

解析 （1）Al2O3转化为NH4Al（SO4）2发生的反应为Al2O3、（NH4）2SO4在高温条件下反应生成NH4Al（SO4）2、NH3和H2O，反应的化学方程式为Al2O3+4（NH4）2SO4焙烧2NH4Al（SO4）2+6NH3↑+3H2O;

（2）由试题所给金属阳离子开始沉淀和完全沉淀的pH可知，将pH从2.0调节至11.6时，Fe3+首先沉淀、然后是Al3+和Mg2+沉淀，Ca2+不会沉淀;

（3）由Mg2+完全沉淀时，溶液pH为11.1可知，Mg（OH）2的溶度积为1×10-5×（1×10-2.9）2=1×10-10.8，当溶液pH为11.6时，溶液中Mg2+的浓度为1×10-10.8/（1×10-2.4）2=1×10-6mol/L;

（4）增大溶液中SO2-4离子浓度，有利于产生CaSO4沉淀，为了使微溶的CaSO4完全沉淀，减少TiOSO4溶液中含有CaSO4的量，应加入浓H2SO4加热到160℃酸溶;由分析可知，SiO2和CaSO4与浓H2SO4不反应，则酸溶渣的主要成分为SiO2和CaSO4;

（5）酸溶后将TiOSO4溶液加入热水稀释并适当加热，能使TiOSO4完全水解生成TiO2·xH2O沉淀和硫酸，反应的离子方程式为TiO2++（x+1）H2O△TiO2·xH2O+2H+;

（6）由分析可知，尾气为NH3，母液①为（NH4）2SO4、母液②为H2SO4，将母液①和母液②混合后吸收NH3得到（NH4）2SO4溶液，可以循环使用.

答案：（1）Al2O3+4（NH4）2SO4焙烧

2NH4Al（SO4）2+6NH3↑+3H2O;

（2）Fe3+、Al3+、Mg2+

（3）1×10-6

（4）硫酸 SiO2、CaSO4

（5）TiO2++（x+1）H2O△TiO2·xH2O+2H+

（6）（NH4）2SO4

例2 （2020年全国卷Ⅲ题27）某油脂厂废弃的油脂加氢镍催化剂主要含金属Ni、Al、Fe及其氧化物，还有少量其他不溶性物质.采用如图2所示工艺流程回收其中的镍制备硫酸镍晶体（NiSO4·7H2O）：图2

溶液中金属离子开始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

金属离子Ni2+Al3+Fe3+Fe2+

开始沉淀时（c=0.01 mol·L-1）的pH7.23.72.27.5

沉淀完全时

（c=1.0×10-5 mol·L-1）的pH

8.74.73.29.0

回答下列问题：

（1）“碱浸”中NaOH的两个作用分别是.为回收金属，用稀硫酸将“滤液①”调为中性，生成沉淀.写出该反应的离子方程式.

（2）“滤液②”中含有的金属离子是.

（3）“转化”中可替代H2O2的物质是.若工艺流程改为先“调pH”后“转化”，即，“滤液③”中可能含有的杂质离子为.

（4） 利用上述表格数据，计算Ni（OH）2的Ksp=（列出计算式）.如果“转

化”后的溶液中Ni2+浓度为1.0 mol·L-1，则“调pH”应控制的pH范围是.

（5） 硫酸镍在强碱溶液中用NaClO氧化，可沉淀出能用作镍镉电池正极材料的NiOOH.

写出该反应的离子方程式.

（6）将分离出硫酸镍晶体后的母液收集、循环使用，其意义是.

分析 该工业流程的核心元素是Ni元素，废料中Ni元素有0价（单质）和+2价（氧化物），最终制备的产品硫酸镍晶体（NiSO4·7H2O）中Ni为+2价.流程中存在镍元素的氧化过程.除杂过程涉及到Fe2+的氧化和金属阳离子的沉淀等.考点主要集中在Al、Fe及其氧化物的除杂、Ksp的计算、物质转化原理及试剂的循环利用等.

解析 （1）“碱浸”中NaOH一是除去油脂;二是溶解铝及其氧化物，将其转化为偏铝

酸盐.用稀硫酸将“滤液①”调为中性，生成的离子方程式为：AlO-2+H++H2OAl（OH）3↓

（2）Fe经过酸浸首先转化为Fe2+，部分Fe2+会被空气氧化为Fe3+，“滤液②”中含有的金属离子有Ni2+、Fe2+、Fe3+

（3）“转化”环节加入H2O2的目的是将Fe2+氧化为Fe3+，考虑到不能引入新的杂质，可替代H2O2的物质是O2或空气;如果先“调pH”后“转化”，由于不能将Fe2+沉淀完全，“滤液③”中会含有Fe3+.

（4）根据表格中的数据，0.01 mol·L-1Ni2+开始沉淀的pH为7.2，则Ni（OH）2的Ksp=0.01×

（10-14/10-7.2）2=10-15.6.“转化”后的溶液中Ni2+浓度为1.0 mol·L-1，则Ni2+开始沉淀的c（OH-）=（10-15.6/1）1/2=10-7.8，c（H+）=10-6.2，pH=6.2.

（5） 硫酸镍中的Ni2+在强碱性溶液中被NaClO氧化为+3价的NiOOH，ClO-转化为Cl-.离子方程式为：2Ni2++ClO-+4OH-2NiOOH↓+Cl-+H2O

（6）母液的收集和循环使用可以提高镍的利用率，提高镍的回收率.

答案：（1）除去油脂，溶解铝及其氧化物 AlO-2+H++H2O=Al（OH）3↓ （2）Ni2+、Fe2+、Fe3+ （3）O2或空氣 Fe3+

（4）0.01×（107.2-14）2[或10-5×（108.7-14）2] 3.2～6.2

（5）2Ni2++ClO-+4OH-2NiOOH↓+Cl-+H2O

（6）提高镍回收率

例3 （2019年全国卷Ⅲ题26）高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿（还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素）制备，工艺如图3所示.回答下列问题：图3

相关金属离子[c0（Mn+）=0.1 mol·L-1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如表3所示.

表3

金属离子Mn2+Fe2+Fe3+Al3+

Mg2+Zn2+Ni2+开始沉淀的pH8.16.31.53.4

8.96.26.9

沉淀完全的pH10.18.32.8

4.710.98.28.9

（1）“滤渣1”含有S和;写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式.

（2）“氧化”中添加适量的MnO2的作用是.

（3）“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为～6之间.

（4）“除杂1”的目的是除去Zn2+和Ni2+，“滤渣3”的主要成分是.

（5）“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+.若溶液酸度过高，Mg2+沉淀不完全，原因是.

（6）写出“沉锰”的离子方程式.

（7）层状镍钴锰三元材料可作为锂离子电池正极材料，其化学式为LiNixCoyMnzO2，其中Ni、Co、Mn的化合价分别为+2、+3、+4.当x=y=1/3时，z=.

分析 该工业流程的核心元素是Mn元素，目标产品是MnSO4，从MnO2和MnS到MnSO4存在氧化还原反应.Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等杂质元素的除去主要是通过沉淀法除去.考点主要集中在物质的转化、沉淀pH范围的确定、物质转化原理、通过守恒思想进行计算等.

解析 （1）Si元素以SiO2或不溶性硅盐存在，SiO2与硫酸不反应，滤渣I中除了S以外还有SiO2;根据滤渣1中存在单质S，可知在硫酸的溶浸过程中，MnO2和MnS发生了氧化还原反应，MnO2作氧化剂，MnS作还原剂，方程式为：MnO2+MnS+2H2SO42MnSO4+S+2H2O.

（2）MnO2作為氧化剂，“氧化”中添加适量的MnO2不仅使得MnS反应完全，而且能将溶液中Fe2+氧化为Fe3+.

（3）由表中数据知pH在4.7时，Fe3+和Al3+沉淀完全，所以应该控制pH在4.7～6之间.

（4）根据题干信息，加入Na2S除杂为了除去Zn2+和Ni2+，所以滤渣3是生成的ZnS和NiS沉淀.

（5）由HFH++F-知，酸度过大，电离平衡逆向移动，F-浓度减低，使得MgF2Mg2++2F-平衡向沉淀溶解方向移动，Mg2+沉淀不完全.

（6）根据题干信息沉锰的过程是生成了MnCO3沉淀，所以反应离子方程式为：Mn2++2HCO3-MnCO3↓+CO2↑+H2O.

（7）根据化合物中各元素化合价代数和为0的规律得：1+2x+3y+4z=6，已知，x=y=1/3，带入

计算得：z=1/3.

答案：（1）SiO2（不溶性硅酸盐） MnO2+MnS+2H2SO42MnSO4+S+2H2O

（2）将Fe2+氧化为Fe3+

（3）4.7

（4）NiS和ZnS

（5）F-与H+结合形成弱电解质HF，MgF2Mg2++2F-平衡向右移动，Mg2+沉淀不完全.

（6）Mn2++2HCO-3MnCO3↓+CO2↑+H2O

（7）1/3

工业流程题以真实工业生产过程为背景，体现了能力立意的命题思想，能够综合考查学生解决生产实际问题的能力.教师在试题教学中要帮助学生做到明确目标产品、紧抓关键转化步骤和除杂环节、坚持重要原则、关注高频考点等四个方面，在高效解答试题的同时，努力提升学生的综合素养.

基金项目：宁夏回族自治区青年拔尖人才培养工程（宁人社发〔2019〕90号）项目资助.

（收稿日期：2021-09-20）