教學(xué)考試雜志社“優(yōu)師計劃”階段性成果展示——工藝流程相關(guān)試題選登

【例1】重鉻酸鈉為紅色至橘紅色結(jié)晶，有強(qiáng)氧化性，易溶于水。可以采用輝鉍礦和含鉻廢渣用以下工藝制備。

已知：①輝鉍礦主要成分是Bi2S3，還含少量SiO2等雜質(zhì)，含鉻固體廢渣主要成分為Al2O3·Cr2O3，還含有FeO、SiO2。

③流程中部分陽離子以氫氧化物形式沉淀時溶液的pH如表所示：

沉淀物Fe(OH)3Fe(OH)2Cr(OH)2Al(OH)3開始沉淀2.27.54.63.7完全沉淀3.29.05.64.5

回答下列問題：

(1)Ⅰ加H2O2并調(diào)節(jié)pH目的是_________________

(2)輝鉍礦的“浸出液”中鉍元素主要以Bi3+形式存在，輝鉍礦中Bi2S3與FeCl3溶液發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)的氧化劑和還原劑之比________；加入鹽酸，既可提高鉍的浸出率，又可________；輝鉍礦和FeCl3溶液、鹽酸反應(yīng)后濾渣主要成分是________和硫。

(3)NaBiO3是為數(shù)不多的鈉鹽沉淀之一，由BiCl3制得純凈的NaBiO3，操作Ⅳ包括________。

(4)寫出Ⅱ中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：_________________

(5)Ⅲ中酸化是用硫酸而不用鹽酸酸化，理由是

(結(jié)合化學(xué)方程式回答)。

(6)NaBiO3可作為鋼鐵分析中測定錳的氧化劑，利用原子守恒確定缺項物質(zhì)及其他物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)。

【答案】(1)使Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，調(diào)整pH，使Fe3+和Al3+完全沉淀，與鉻元素完全分離

(2)6∶1 抑制溶液中Bi3+的水解 SiO2

(3)過濾、洗滌、干燥

(6)14H+7H2O

【命題意圖】本題考查化工流程，涉及知識流程圖分析、氧化還原反應(yīng)方程式的書寫、反應(yīng)條件控制、溶度積運(yùn)用。考查提取信息能力、理解和簡單應(yīng)用、關(guān)聯(lián)和遷移能力、推理和論證能力、實驗和探究能力。涉及證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)。

化工流程題實際上是考查考生運(yùn)用元素化合物，化學(xué)實驗，化學(xué)反應(yīng)原理及相關(guān)知識來解決工業(yè)生產(chǎn)中實際問題的能力。化學(xué)工藝流程題結(jié)構(gòu)一般包括題頭、題干和題尾三部分。題頭一般用引導(dǎo)性的語言，簡單介紹該工藝生產(chǎn)的目的、原料、產(chǎn)品，有時還提供相關(guān)表格、圖象等參考數(shù)據(jù)或物質(zhì)的性質(zhì)和用途信息。題干部分則是用框圖形式將原料到產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝流程表示出來。題尾部分則是命題者根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)流程中涉及的化學(xué)知識精心設(shè)計的系列問題。對于學(xué)生解題需要的未學(xué)過的信息在三個部分都有可能出現(xiàn)，審題時須全盤考慮。解題的基本步驟是①審題：從題干中獲取有用信息，了解生產(chǎn)的產(chǎn)品。②分析流程中的每一步驟，從幾個方面了解流程：A．反應(yīng)物是什么B．發(fā)生了什么反應(yīng)C．該反應(yīng)造成了什么后果，對制造產(chǎn)品有什么作用。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)。③從問題中獲取信息，幫助解題。其流程主線可表示為原料→對原料的預(yù)處理→核心化學(xué)反應(yīng)→產(chǎn)品的提純分離→目標(biāo)產(chǎn)物。

【例2】鋰離子電池因其具備高能量密度、長使用壽命、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等特點而被廣泛應(yīng)用，然而鋰資源匱乏制約了其發(fā)展，因此，開發(fā)新型儲能器件迫在眉睫。與鋰離子電池相似，鈉離子電池由于成本低、資源豐富，成為取代鋰離子電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域應(yīng)用的理想選擇。作為鈉離子的正極材料之一，束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線電極材料成為關(guān)注焦點之一。其制備工藝流程如圖：

【資料】①石煤的主要成分為V2O3，含有Al2O3、CaO、Fe2O3等雜質(zhì)。

②+5價釩在溶液中的主要存在形式與溶液pH 的關(guān)系：

pH4～66～8主要離子VO+2VO-3

(1)K3V2(PO4)3中V的化合價為。

(2)焙燒時，向石煤中加生石灰焙燒，將V2O3轉(zhuǎn)化為Ca(VO3)2。

①為了提高焙燒過程中氧化效率，下述工藝步驟方法合理的是_________________

a.在回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行富氧焙燒，助燃風(fēng)氣量為煤氣量的0.5～2倍

b.焙燒過程中，焙燒物料加入輔助劑，增加物料疏松度和透氣性

c.窯體進(jìn)行分段控溫

②焙燒過程中主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為_________________

(3)實驗時將NH4VO3、KOH和H3PO4按物質(zhì)的量分別為5 mmol 、7.5 mmol 、7.5 mmol依次溶解于20 mL 去離子水中，溶液顏色依次為白色渾濁、無色澄清透明和棕紅色透明溶液。隨后再加入H2C2O4·2H2O，攪拌至溶液變?yōu)辄S綠色，草酸的量對 K3V2(PO4)3形貌的影響如下：

草酸的量01.0 g2.0 g4.0 g6.0 g12.0 gK3V2(PO4)3形貌雜亂的微米顆粒少量雜亂的納米線有束狀的形貌出現(xiàn)大部分為束狀納米線均一的束狀納米線納米線的均一性較差

請回答：

①實驗條件下束狀碳包覆K3V2(PO4)3納米線樣品制備的最佳條件：

；

②亞硫酸鈉是常用的還原劑，但實驗中不能用亞硫酸鈉代替草酸晶體，原因為_________________

(5) “氬氣中煅燒”時，氬氣的作用為_________________

(6)某工廠利用上述工藝流程，用10 t石煤生產(chǎn)束狀碳包覆 K3V2(PO4)3納米線0.806 4 t，若整個過程中釩的總回收率為80%，則石煤中釩元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為。

【答案】(1)+3

(3)①草酸質(zhì)量為6.0 g ②草酸在合成束狀碳包覆納米線的過程中起還原劑和導(dǎo)向劑的作用

(5)防止K3V2(PO4)3被氧化

(6)2.04%

【命題意圖】本題以束狀碳包覆 K3V2(PO4)3納米線的制備、應(yīng)用為載體，考查學(xué)生對流程的分析、分離提純方法、解釋試劑的選擇、離子方程式的書寫、含量計算等，呈現(xiàn)的內(nèi)容可以引導(dǎo)學(xué)生自覺傳承我國科學(xué)文化，弘揚(yáng)科學(xué)精神，體現(xiàn)了科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的學(xué)科核心素養(yǎng)。

解決本類題目的關(guān)鍵是分析流程中的每一步驟，可從以下幾個方面了解流程：①反應(yīng)物是什么；②發(fā)生了什么反應(yīng)；③該反應(yīng)造成了什么后果，對制造產(chǎn)品有什么作用。即抓住一個關(guān)鍵點：一切反應(yīng)或操作都是為獲得產(chǎn)品而服務(wù)的。

【例3】某硫鉛礦(主要成分是PbS，含有雜質(zhì)Fe2O3、Al2O3和SiO2)，利用該硫鉛礦制備金屬鋁和PbO2的流程如下：

已知：ⅰ.PbS不溶于強(qiáng)堿溶液，但可以被H2O2氧化為PbSO4；

ⅱ.PbSO4與PbS共熱可以產(chǎn)生Pb，鉛可以和稀硝酸反應(yīng)。

回答下列問題：

(1)步驟③通入足量CO2發(fā)生的與Al元素相關(guān)的離子方程式為________；濾液2的溶質(zhì)為________。

(2)冶煉金屬鋁時需加入某種物質(zhì)降低體系熔點以節(jié)約能量，該物質(zhì)的名稱為________。

(3)步驟⑥一般需控制較低溫度的原因是____________。若將濾液3和步驟⑥的殘液混合，會產(chǎn)生的現(xiàn)象是_________________

(4)步驟⑨的離子方程式為_________________

(5)若用鉛蓄電池作為步驟⑩的外接電源，與鉛蓄電池PbO2一極相連的電極的電極反應(yīng)式為_________________

(2)冰晶石(或六氟合鋁酸鈉)

(3)防止H2O2受熱分解 產(chǎn)生大量氣泡

【命題意圖】本題考查工藝流程綜合知識，考查考生設(shè)計、評價、優(yōu)選的能力，提升考生掌握、遷移、靈活應(yīng)用的素養(yǎng)。

【解析】該流程的推斷過程如下：

(1)向NaAlO2溶液中通入足量CO2得到Al(OH)3和NaHCO3，根據(jù)原子守恒和電荷守恒配平即可；NaOH和Na2SiO3溶液中通入足量的CO2也得到NaHCO3溶液，故濾液2的溶質(zhì)僅有NaHCO3。(2)由于氧化鋁的熔點高，冶煉過程為了降低體系熔點，節(jié)約能量，需加入冰晶石即Na3AlF6，其學(xué)名為六氟合鋁酸鈉。(3)H2O2受熱易分解,故有H2O2參與的化學(xué)反應(yīng)都需控制低溫環(huán)境；濾液3中含有Fe3+，步驟⑥的殘液中含有H2O2，F(xiàn)e3+會催化H2O2分解,產(chǎn)生大量O2。(4)Pb被氧化為Pb2+，稀硝酸被還原為NO，根據(jù)化合價升降相等配平即可。(5)鉛蓄電池中PbO2為正極，與之相連的一極為陽極，該極Pb2+被氧化為PbO2，用H+保證電荷守恒，用水保證H和O原子守恒即可配平電極反應(yīng)式。