题型二 化工工艺流程题
[专题强化训练]
1．(2018·高考北京卷)磷精矿湿法制备磷酸的一种工艺流程如下：
已知：磷精矿主要成分为Ca5(PO4)3(OH)，还含有Ca5(PO4)3F 和有机碳等。 溶解度：Ca5(PO4)3(OH) (1)上述流程中能加快反应速率的措施有____________________________。 (2)磷精矿粉酸浸时发生反应： △ 2Ca5(PO4)3(OH)＋3H2O＋10H2SO4=====10CaSO4·0.5H2O＋6H3PO4 ①该反应体现出酸性关系：H3PO4________H2SO4(填“>”或“<”)。 ②结合元素周期律解释①中结论：P和S电子层数相同，_______________________。 (3)酸浸时，磷精矿中Ca5(PO4)3F所含氟转化为HF，并进一步转化为SiF4除去。写出生成HF的化学方程式：_______________________________________________________。 (4)H2O2将粗磷酸中的有机碳氧化为CO2脱除，同时自身也会发生分解。相同投料比、相同反应时间，不同温度下的有机碳脱除率如图所示。80 ℃后脱除率变化的原因：________________________________________________________________________。 (5)脱硫时，CaCO3稍过量，充分反应后仍有SO4残留，原因是_________________；加入BaCO3可进一步提高硫的脱除率，其离子方程式是____________________________。 (6)取a g所得精制磷酸，加适量水稀释，以百里香酚酞做指示剂，用b mol·L NaOH溶液滴定至终点时生成Na2HPO4，消耗NaOH溶液c mL。精制磷酸中H3PO4的质量分数是________。(已知：H3PO4摩尔质量为98 g·mol) 解析：(1)流程中能加快反应速率的措施有将磷精矿研磨，酸浸时进行加热。(2)①该反应符合复分解反应中“强酸制弱酸”的规律。②比较硫酸与磷酸的酸性强弱，可以比较S与P的非金属性强弱。结合元素周期律可以比较S、P的原子半径、核电荷数。(3)根据元素守恒可写出反应的化学方程式。(4)有机碳的脱除率受两个因素的共同影响：一方面，温度越高，反应速率越快，在相同投料比、相同反应时间内，有机碳的脱除率越高；另一方面，温度升高可使较多的H2O2分解，氧化剂的量减少，使得有机碳的脱除率降低。80 ℃后，H2O2分解对有机碳脱除率的影响超过了温度升高的影响，导致脱除率逐渐降低。(5)脱硫是用 1 －1 －1 2－ CaCO3除去剩余的硫酸，由于生成的硫酸钙是微溶物，所以即使CaCO3过量，充分反应后仍有SO4残留。加入BaCO3可使CaSO4转化为更难溶的BaSO4，进一步提高硫的脱除率。 (6)H3PO4 ＋ 2NaOH===Na2HPO4＋2H2O 98 g 2 mol m(H3PO4) 10bc mol 4.9×10bc g m(H3PO4)＝4.9×10bc g，则精制磷酸中H3PO4的质量分数为×100%＝ a g －2 －2 －3 2－ 4.9bc0.049bc%＝。 aa答案：(1)研磨、加热 (2)①< ②核电荷数P (3)2Ca5(PO4)3F＋10H2SO4＋5H2O=====10CaSO4·0.5H2O＋6H3PO4＋2HF (4)80 ℃后，H2O2分解速率大，浓度显著降低 (5)CaSO4微溶 BaCO3＋SO4＋2H3PO4===BaSO4＋CO2↑＋H2O＋2H2PO4 0.049bc(6) 2－ － a2．(2017·高考全国卷Ⅰ，T27，14分)Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿(主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质)来制备。工艺流程如下： 回答下列问题： (1)“酸浸”实验中，铁的浸出率结果如图所示。由图可知，当铁的浸出率为70%时，所采用的实验条件为__________________。 (2)“酸浸”后，钛主要以TiOCl4形式存在，写出相应反应的离子方程式： ________________________________________________________________________。 (3)TiO2·xH2O沉淀与双氧水、氨水反应40 min所得实验结果如下表所示： 温度/℃ TiO2·xH2O转化率/% 30 92 35 95 40 97 45 93 50 88 2－ 分析40 ℃时TiO2·xH2O转化率最高的原因：______________________________。 2 (4)Li2Ti5O15中Ti的化合价为＋4，其中过氧键的数目为__________。 (5)若“滤液②”中c(Mg)＝0.02 mol·L，加入双氧水和磷酸(设溶液体积增加1倍)，使Fe恰好沉淀完全即溶液中c(Fe)＝1.0×10 mol·L，此时是否有Mg3(PO4)2沉淀生成？ _______________________________________________________________(列式计算)。 FePO4、Mg3(PO4)2的Ksp分别为1.3×10 －22 3＋ 3＋ －5 －1 2＋ －1 、1.0×10 －24 。 (6)写出“高温煅烧②”中由FePO4制备LiFePO4的化学方程式： ________________________________________________________________________。 解析：(1)从图像直接可以看出，铁的浸出率为70%时对应的温度、时间，符合温度升高，反应速率加快，值得注意的是，这类填空题可能有多个合理答案。(2)考查离子方程式书写。难点为生成物还有什么，钛酸亚铁中钛为＋4价，铁为＋2价，产物有氯化亚铁，比较FeTiO3和TiOCl4知，产物中一定有H2O。值得注意的是钛酸亚铁与盐酸反应是非氧化还原反应。(3)联系化学反应速率、双氧水和氨水性质分析转化率。这类问题要从两个角度分析，即低于40 ℃时，随着温度的升高，反应速率加快；高于40 ℃时，氨水挥发速率加快、双氧水分解速率加快，导致反应物浓度降低，结果转化率降低。(4)考查化学式与元素化合价关系。锂元素在化合物中只有一种化合价(＋1)，化合物中元素化合价代数和等于0，过氧键中氧显－1价，类似双氧水、过氧化钠。如果能求出－1价氧原子个数，就能求出过氧键数目，即过氧键数目等于－1价氧原子个数的一半。设Li2Ti5O15中－2价、－1价氧原子 ??x＋y＝158个数分别为x、y。有?，解得x＝7，y＝8。所以，过氧键数目为＝4。(5)考查溶 2?2x＋y＝22? 2－ 度积计算以及判断沉淀是否形成。分两步计算：①计算铁离子完全沉淀时磷酸根离子浓度。1.3×10－1－17－1 c(Fe)·c(PO)＝Ksp(FePO4)，c(PO)＝＝1.3×10 mol·L。②混－5 mol·L 1.0×10 3＋ 3－4 3－4 －22 合后，溶液中镁离子浓度为c(Mg)＝0.01 mol·L，c(Mg)·c(PO4)＝0.01×(1.3×10 －172 2＋－132＋23－3 )＝1.7×10 －40 程中铁的化合价降低，碳的化合价升高，有CO2生成。 答案：(1)100 ℃、2 h，90 ℃、5 h (2)FeTiO3＋4H＋4Cl===Fe＋TiOCl4＋2H2O (3)低于40 ℃，TiO2·xH2O转化反应速率随温度升高而增加；超过40 ℃，双氧水分解与氨逸出导致TiO2·xH2O转化反应速率下降 (4)4 1.3×10－1－17－132 (5)Fe恰好沉淀完全时，c(PO)＝＝1.3×10mol·L，c(Mg－5 mol·L 1.0×10 3＋ 3－4 ＋ －22 ＋ － 2＋ 2－ )·c(PO4)＝0.01×(1.3×10 23－3－172 )＝1.7×10 －40 淀 3 高温 (6)2FePO4＋Li2CO3＋H2C2O4=====2LiFePO4＋3CO2↑＋H2O↑ 3．最新研究表明As2O3在医药领域有重要应用。某小组从工业废料中提取As2O3，设计流程如下： 已知：H3AsO3为弱酸，热稳定性差。 (1)写出一条“碱浸”时提高浸取率的方法：________________________；“碱浸”中H3AsO3转化成Na3AsO3的离子方程式为__________________________________。 (2)“氧化”时向混合液中通入O2时对体系加压，目的是________________________。 (3)“沉砷”过程中有如下反应： ①Ca(OH)2(s) 2＋ － Ca(aq)＋2OH(aq) ΔH＜0 3－ 2＋－ ②5Ca＋OH＋3AsO4Ca5(OH)(AsO4)3↓ ΔH＞0 沉砷率与温度关系如图。沉砷最佳温度为____________________________________，高于85 ℃时，沉砷率下降的原因是________________________________。 (4)“还原”过程中获得H3AsO3的化学方程式为_____________________________；“操作A”为________、过滤；滤液Ⅱ的主要溶质是________。 (5)若每步均完全反应，“氧化”和“还原”时消耗相同条件下O2和SO2的体积分别为x L、y L，则废水中n(H3AsO3)∶n(H3AsO4)＝________(写出含x、y的计算式)。 解析：工业废料(含H3AsO3、H3AsO4)加入氢氧化钠溶液“碱浸”，与氢氧化钠反应生成Na3AsO3、Na3AsO4溶液，通入氧气，将Na3AsO3氧化为Na3AsO4，向溶液中加入石灰乳，得到Ca5(OH)(AsO4)3沉淀，将Ca5(OH)(AsO4)3用硫酸酸化得到H3AsO4，通入二氧化硫与H3AsO4溶液混合：H3AsO4＋H2O＋SO2===H3AsO3＋H2SO4，还原后加热溶液，H3AsO3分解为As2O3，据此分析解答。 (1)反应物接触时间越长，反应越充分，所以“碱浸”时可采用搅拌或多次浸取使其充分反应，提高原料浸取率；H3AsO4与氢氧化钠反应为酸碱中和反应，离子方程式为H3AsO3＋3OH===AsO3＋3H2O。 (2)“氧化”时向混合液中通入O2时对体系加压，可以增大O2的溶解度，加快反应速率。 － 3－ 4 (3)“沉砷”是将砷元素转化为Ca5(OH)(AsO4)3沉淀，发生的主要反应有①Ca(OH)2(s) Ca(aq)＋2OH(aq) ΔH<0、②5Ca＋OH＋3AsO4 2＋ － 2＋ － 2＋ － 3－ Ca5(OH)(AsO4)3 ΔH>0，高于85 ℃，随着温度升高，反应①中c(Ca)、c(OH)减小，温度对平衡移动的影响反应①大于反应②，使反应②中平衡逆向移动，沉砷率下降。 (4)“还原”过程中二氧化硫将H3AsO4还原为H3AsO3，自身被氧化生成硫酸，化学方程式为H3AsO4＋H2O＋SO2===H3AsO3＋H2SO4；还原后加热溶液，H3AsO3分解为As2O3，所以“操作A”为加热、过滤；由化学方程式可知，滤液Ⅱ的主要溶质是H2SO4。 (5)“氧化”过程中将Na3AsO3氧化为Na3AsO4，关系式为2H3AsO3～2Na3AsO3～O2；“还原”过程中二氧化硫将H3AsO4还原为H3AsO3，关系式为H3AsO4～SO2；已知消耗相同条件下O2和SO2的体积分别为x L、y L，体积比等于物质的量之比，即n(O2)∶n(SO2)＝x∶y，由关系式可知，n(H3AsO3)＝2n(O2)＝2x，则废水中原有的n(H3AsO4)＝y－2x，则废水中 n(H3AsO3)∶n(H3AsO4)＝2x∶(y－2x)。 答案：(1)搅拌(或多次浸取或其他合理答案) H3AsO3＋3OH===AsO3＋3H2O (2)增大O2的溶解度，加快反应速率 (3)85 ℃ 随着温度升高，反应①中c(Ca)、c(OH)减小，温度对平衡移动的影响反应①大于反应②，使反应②中平衡逆向移动，沉砷率下降 (4)H3AsO4＋H2O＋SO2===H3AsO3＋H2SO4 加热 H2SO4 (5)2x∶(y－2x) 4．(2019·高考名校联考信息优化卷)硼氢化钠(NaBH4)广泛用于化工生产，常温下能与水反应，易溶于异丙胺(沸点为33 ℃)。工业上可用硼镁矿(主要成分为Mg2B2O5·H2O，含少量杂质Fe3O4)制取NaBH4，其工艺流程如下： 2＋ － － 3－ 回答下列问题： (1)NaBH4的电子式为________。 (2)碱溶时Mg2B2O5发生反应的化学方程式是_________________________________。 (3)滤渣的成分是________。 (4)高温合成中，加料之前需将反应器加热至100 ℃以上并通入氩气，该操作的目的是________________________________________________________________________；原料中的金属钠通常保存在________中，实验室取用少量金属钠用到的实验用品有________、玻璃片和小刀。 (5)操作2的名称为________。流程中可循环利用的物质是________。 (6)在碱性条件下，用惰性电极电解NaBO2溶液也可制得NaBH4，装置如图所示，电解总 5
新课标2020高考化学二轮复习第二部分高考大题突破题型二化工工艺流程题专题强化训练2
