知識歸納
無機化工流程題的特點:
規律:主線主産品、分支副産品、回頭為循環。
核心考點:物質的分離操作、除雜試劑的選擇、生産條件的控制。
1. 流程的呈現主要有以物質轉化為主線,以操作過程為主線,甚至有時候會以設備為主線。
2. 這類題常圍繞以下幾個知識點進行設問:
⑴ 反應速率與平衡理論的運用
反應物顆粒大小:反應速率、原料的利用率等
溫度:反應速率、物質的穩定性、物質的結晶等
⑵ 氧化還原反應的判斷、化學方程式或離子方程式的書寫;
⑶ 利用控制pH分離除雜;
⑷ 化學反應的能量變化;
⑸ 實驗基本操作:除雜、分離、檢驗、洗滌、幹燥等;
⑹ 流程中的物質轉化和循環,資源的回收和利用;
⑺ 環境保護與綠色化學評價。
一、原料處理的方法和作用
對原料進行預處理的常用方法及其作用:
1. 粉碎、研磨:減小固體的顆粒度,增大固體與液體或氣體間的接觸面積,加快反應速率。
2. 水浸:與水接觸反應或溶解。
3. 酸浸:通常用酸溶,如用硫酸、鹽酸、濃硫酸等,與酸接觸反應或溶解,使可溶性金屬離子進入溶液,不溶物通過過濾除去。近年來,在高考題出現了“浸出”操作。在化工生産題中,礦物原料“浸出”的任務是選擇适當的溶劑,使礦物原料中的有用組分或有害雜質選擇性地溶解,使其轉入溶液中,達到有用組分與有害雜質或與脈石組分相分離的目的。
4. 浸出率:固體溶解後,離子在溶液中含量的多少(更多轉化)。
5. 灼燒:除去可燃性雜質或使原料初步轉化,如從海帶中提取碘時的灼燒就是為了除去可燃性雜質,将有機碘轉化為碘鹽。
6. 灼燒、焙燒、煅燒:改變結構和組成,使一些物質能溶解;并使一些雜質在高溫下氧化、分解,如煅燒高嶺土和石灰石。
二、掌握核心化學反應
1. 元素及其化合物知識:化工生産将原料轉變成産品的過程,也是物質經曆相互轉化的過程。理解物質之間的轉化關系,就要用到元素及其化合物的相關知識。一般圍繞鐵、銅、鋁、鎂、氯、硫、磷、矽等元素的單質或化合物的工業制備來進行命題,需要掌握這些元素及其化合物的知識
2. 還要掌握有關化工生産的知識,熟悉的有純堿工業、氨工業、矽單質的制備、氯堿工業、海水中提取鎂、海水中提取溴等;
3. 化學反應原理:化工生産中把原料轉變成産品的過程就是化學反應的過程,從化學反應原理的角度選擇原料、控制條件和選擇設備等,是化工生産的基本思路。化學反應原理的相關知識包括質量守恒定律、化學反應速率、化學平衡、電化學、化學熱力學等,做到能綜合運用這些知識分析化工生産中化學反應的情況。
① 調節溶液的pH值:使某些離子轉變為沉澱而達到分離的目的,抑制某些離子的水解,防止某些離子的氧化等。在題目中常以表格形式給出信息。
例如:已知下列物質開始沉澱和沉澱完全時的pH如下表所示
若要除去Mn2+溶液中含有的Fe2+,應該怎樣做?
提示:先用氧化劑把Fe2+氧化為Fe3+,再調溶液的pH到3.7。
調節pH所需的物質一般應滿足兩點:
能與H+反應,使溶液pH值增大;不引入新雜質。例如:若要除去Cu2+溶液中混有的Fe3+,可加入CuO、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3等物質來調節溶液的pH值。
調節溶液的pH:“酸作用還可以除去氧化物(膜);“堿作用”還可以除去油污、除去鋁片氧化物、溶解鋁、二氧化矽。
② 控制體系的溫度
a.控制低溫:防止物質的分解,如NaHCO3、NH4HCO3、H2O2、HNO3(濃)等;防止物質的揮發,如鹽酸、醋酸等;抑制物質的水解,如冰水洗滌,以防止洗滌過程中的溶解損耗;增大氣體反應物的溶解度,使其被充分吸收;
b.采取加熱:加速某固體的溶解,加快反應速率;減少氣體生成物的溶解并使其逸出;使平衡向需要的方向移動;趁熱過濾,防止某物質降溫時因析出而損耗或帶入新的雜質;
c.控制範圍:确保催化劑的催化效果,兼顧速率和轉化率,追求更好的經濟效益,防止副反應發生等。
三、 明确反應原理
注意每一步在什麼條件下,發生了什麼反應,生成了什麼物質,這些物質分别到哪裡去了。如轉化成了沉澱還是氣體或生成了其他物質。
四、物質分離或提純的方法
化工生産過程中分離提純、除雜等環節,與高中化學基本實驗的原理緊密聯系,包括蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、烘幹,或蒸餾、萃取、分液等基本實驗操作及原理,并要熟悉所用到的相關儀器。
1. 蒸發、反應時的氣體氛圍抑制水解:如從溶液中析出FeCl3、AlCl3、MgCl2等溶質時,應在HCl的
氣流中加熱,以防其水解。
⑴ 蒸發濃縮、冷卻結晶:如除去KNO3中的少量NaCl。
⑵ 蒸發結晶、趁熱過濾:如除去NaCl中的少量KNO3。
2. 溶解法:利用特殊溶劑把雜質溶解而除去,如Fe(Al)可用過量的NaOH溶液而除去Al,CO2(HCl、H2O)先通過飽和食鹽水,再通過濃H2SO4。
3. 沉澱法:a. 加合适的沉澱劑(要使雜質離子充分沉澱,加入的沉澱劑必須過量,且在後續步驟中容易除去);b. 調節溶液的酸堿性。
4. 洗滌法:a.水洗;b.冰水洗;c.有機溶劑洗。其目的是:洗去目标物表面的雜質離子;減少目标物的溶解損耗或增大有機雜質的溶解量;防止目标物形成結晶水合物;使晶體快速幹燥。
五、可循環物質的判斷和流程評價
(一) 可循環物質的判斷
1. 流程圖中回頭箭頭的物質。
2. 生産流程中後面新生成或新分離的物質(不要忽視結晶後的母液),可能是前面某一步反應的相關物質。
(二)對整個工藝流程從下列幾個方面進行評價
1.體現綠色化學思想(使用無毒無害原料,采用原子利用率高的制備路線,原料的循環利用,副産物綜合利用,節能,等)。
2. 高效節能方面(原料廉價,工藝簡單,産品的純度高,能耗低等)。
3. 生成物或副産物的污染。
【規範答題】
實驗操作類規範語言表述
1. 測定溶液 pH的操作
将一小塊pH試紙放在表面皿上,用玻璃棒蘸取少量待測液,點在pH試紙上,待試紙變色後,再與标準比色卡對照。
模闆
答題關鍵詞:pH試紙、表面皿、玻璃棒、蘸待測液、比色卡、對照。
四步:①取放試紙→②蘸待測液→③點滴試紙→④與比色卡對照。
概括為“取、蘸、點、比”。
抓住關鍵詞和四步操作環節,此類問題一定不失分。
2.沉澱洗滌
(1)沉澱洗滌的目的:除去沉澱表面附着或沉澱中包夾的可溶性離子。
(2)洗滌方法:向漏鬥内加蒸餾水至浸沒沉澱,待水自然流出後,重複操作2~3次。
(3)誤差分析:若沉澱不洗滌或洗滌不幹淨,則使沉澱的質量偏高。若沉澱洗滌次數過多,則會使部分沉澱溶解而使其質量偏低。
(4)沉澱劑是否過量的判斷方法
模闆
加沉澱劑:靜置,向上層清液中繼續滴加少量沉澱劑,若無沉澱産生,則證明沉澱劑已過量。
加入與沉澱劑反應的試劑:靜置,取适量上層清液于另一潔淨試管中,向其中加入少量與沉澱劑作用産生沉澱的試劑,若産生沉澱,證明沉澱劑已過量。
注意:若需稱量沉澱的質量而進行有關定量計算時則隻能選用方法(1)。
(5)判斷沉澱是否洗淨的操作
答題
取最後一次洗滌液,滴加……(試劑),若沒有……現象,證明沉澱已洗淨
3.容量瓶撿漏操作
模闆
加入一定量的水,塞好瓶塞。用食指摁住瓶塞,倒立觀察。然後再将容量瓶正立,并将瓶塞旋轉180°後塞緊,再倒立。若均無水滲出,則容量瓶不漏水。
4.滴定管檢查是否漏水的操作
模闆
酸式滴定管:關閉活塞,向其中加入一定量的水,用滴定管夾将其固定鐵架台上,觀察是否漏水。若2分鐘内不漏水,将活塞塞旋轉180°後,重複上述操作。
堿式滴定管:向其中加入一定量的水,用滴定管夾将其固定鐵架台上,觀察是否漏水。若2分鐘内不漏水,輕輕擠壓玻璃球,放出少量液體,再次觀察滴定管是否漏水。
5.滴定管趕氣泡的操作
模闆
酸式滴定管:右手将滴定管傾斜30°左右,左手迅速打開活塞使溶液沖出,從而使溶液充滿尖嘴。
堿式滴定管:将膠管彎曲使玻璃尖嘴向上傾斜,用兩指捏住膠管,輕輕擠壓玻璃球,是溶液從尖嘴流出,即可趕出氣泡。
6.裝置的氣密性檢查
模闆
形成封閉體系——操作(微熱、手捂、熱毛巾捂、加水等)―→描述現象―→得出結論。
微熱法——關鍵詞是:封閉(将導管一端放入水中)、微熱、氣泡、水柱;
液差(封)法——關鍵詞是:封閉(用止水夾關閉右側導氣管,向××漏鬥中加水)、液差(××漏鬥中形成一段水柱,停止注水後,水柱不變化)。
整套裝置氣密性檢查:為使其産生明顯的現象,用酒精燈對裝置中某個可加熱容器微熱,觀察插入水中導管口是否有氣泡冒出,也可對整套裝置适當分割,分段檢查氣密性。
7.萃取分液操作
關閉分液漏鬥活塞,将混合液倒入分液漏鬥中,充分振蕩、靜置、分層,在漏鬥下面放一個小燒杯,打開分液漏鬥活塞,使下層液體從下口沿燒杯壁流下;上層液體從上口倒出。
8. 焰色反應的操作
先将鉑絲沾鹽酸溶液在酒精燈火焰上灼燒,反複幾次,直到與酒精燈火焰顔色接近為止。然後用鉑絲沾取少量待測液,到酒精燈火焰上灼燒,觀察火焰顔色,如為黃色,則說明溶液中含Na+;若透過藍色钴玻璃呈紫色,則說明溶液中含K+。
9.氫氧化鐵膠體的制備
往煮沸的蒸餾水中逐滴滴加飽和的FeCl3溶液,當溶液變紅褐色時,立即停止加熱。
10.從溶液中結晶實驗操作
模闆
溶解度受溫度影響小的:蒸發→結晶→過濾
溶解度受溫度影響較大或帶結晶水的:加熱濃縮→冷卻結晶→過濾
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