工藝流程中物質(zhì)分離提純方法盤點

山東 孫海清

工藝流程題是高考化學常見的題型，主要包含原料預處理、核心化學反應、分離提純、獲得產(chǎn)品四大步，其中物質(zhì)的分離提純是非常重要的一環(huán)，該步驟涉及的知識面廣、方法新穎，命題方式靈活，這令很多同學感到頭疼，筆者就物質(zhì)分離提純常見的方法進行總結(jié)，以期提高同學們分析、解決相關(guān)問題的能力。

一、結(jié)晶法

熱的飽和溶液冷卻后溶質(zhì)因溶解度降低導致溶液過飽和，從而溶質(zhì)以晶體的形式析出，這一過程叫結(jié)晶，具體的題型又分為以下兩類：

1.單一溶質(zhì)或兩種溶質(zhì)(其中一種為少量雜質(zhì))

當溶質(zhì)(或主物質(zhì))溶解度受溫度影響較小或溶解度隨溫度升高而減小時，析出晶體的方法是蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾、洗滌、干燥。當溶質(zhì)(或主物質(zhì))溶解度受溫度影響變化大且溶解度隨溫度升高而增大時，析出晶體的方法是蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥。

如：NaCl與KNO3溶解度曲線如圖所示：如果要除去NaCl溶液中的少量KNO3雜質(zhì)，得到NaCl晶體，則采用蒸發(fā)結(jié)晶、趁熱過濾、洗滌、干燥的方法；如果要除去KNO3溶液中的少量NaCl雜質(zhì)，得到KNO3晶體，則采用蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥的方法。

2.兩種溶質(zhì)大量共存

在這種情況下首先進行蒸發(fā)濃縮、趁熱過濾，得到固體與濾液，接著對濾液進行冷卻結(jié)晶、過濾操作，又得到固體，第一次得到的固體是溶解度隨溫度變化不大或者溶解度隨溫度升高而減小的溶質(zhì)，第二次得到的固體是溶解度隨溫度變化大的固體。

【例1】(2011·江蘇卷·19改編)高氯酸銨NH4ClO4是復合火箭推進劑的重要成分，實驗室可通過下列反應制取。

(1)反應得到的混合溶液中NH4ClO4和NaCl的質(zhì)量分數(shù)分別為0.30和0.15，在90℃把混合液加熱濃縮，有固體析出，該固體的主要成分是________。

(2)若要從上述混合溶液中獲得較多NH4ClO4晶體，要進行的實驗操作依次為(填操作名稱)________、________、________、冰水洗滌、干燥。用冰水洗滌的目的是____________________。

【答案】(1)NaCl (2)蒸發(fā)濃縮 冷卻結(jié)晶 過濾 減少洗滌過程中NH4ClO4晶體的損失

【解析】(1)混合溶液中NH4ClO4和NaCl的質(zhì)量分數(shù)分別為0.30和0.15，該混合液中有四種溶質(zhì)：NH4ClO4、NaCl、NH4Cl、NaClO4，但在90℃時NaCl的溶解度最小，故該溫度下析出的主要固體是NaCl。(2)由圖可知，NH4ClO4的溶解度受溫度影響很大，NaCl溶解度受溫度影響不大，NH4Cl、NaClO4的溶解度受溫度影響也很大，但相同溫度下，它們?nèi)芙舛冗h大于NH4ClO4，故從混合溶液中獲得較多NH4ClO4晶體的實驗操作依次為蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過濾、并用冰水洗滌、干燥。

二、化學沉淀法

【例2】軟錳礦的主要成分為MnO2，還含有Fe2O3、MgO、Al2O3、CaO、SiO2等雜質(zhì)，工業(yè)上用軟錳礦制取MnSO4·H2O的流程如圖：

已知：①部分金屬陽離子完全沉淀時的pH如表：

金屬陽離子Fe3+Al3+Mn2+Mg2+完全沉淀時的pH3.25.210.412.4

②溫度高于27℃時，MnSO4晶體的溶解度隨溫度的升高而逐漸降低。

(1)第1步除雜中加入H2O2的目的是________________________________________________。

(2)第1步除雜中形成濾渣1的主要成分為________(填化學式)，調(diào)pH至5～6所加的試劑，可選擇________(填以下試劑的序號字母)。

a.CaO b.MgO c.Al2O3d.氨水

(3)第2步除雜，主要是將Ca2+、Mg2+轉(zhuǎn)化為相應氟化物沉淀除去，寫出MnF2除去Mg2+的離子方程式：____________________。

(已知：MnF2的Ksp=5.3×10-3；CaF2的Ksp=1.5×10-10；MgF2的Ksp=7.4×10-11)

(4)采用“趁熱過濾”操作的原因是________________________________________________。

三、萃取與反萃取法

反萃取法是用反萃取劑使被萃取物從負載有機相返回水相的過程。為萃取的逆過程，反萃取時所使用的水相溶液稱為反萃取劑。當一些雜質(zhì)離子和所需離子共存時，雜質(zhì)離子又難以除掉，先用萃取技術(shù)把需要的物質(zhì)萃取到有機層中，棄去雜質(zhì)離子，再用反萃取技術(shù)把所需要的離子從有機相萃取到水相。在考試題中萃取與反萃取一般聯(lián)用，其落腳點是化學平衡的移動。

【例3】V2O5廣泛用于冶金、化工等行業(yè)，主要用于冶煉釩鐵、用作冶金添加劑，占V2O5總消耗量的80%以上，其次是用作有機化工的催化劑。為了增加V2O5的利用率，我們從廢釩催化劑(主要成分為V2O5、VOSO4、K2SO4、SiO2和Fe2O3等)中回收V2O5的一種生產(chǎn)工藝流程示意圖如下：

(1)①中廢渣的主要成分是________________________________________；

①中V2O5發(fā)生反應的離子方程式為________________________________________________。

②中萃取時必須加入適量堿，其原因是________________________________________；

③中反萃取操作時加入的x試劑為________________________________________________。

四、離子交換樹脂法

當所需要的離子與雜質(zhì)離子共存而雜質(zhì)離子又難以除掉(如Na+、K+)時，可以用離子交換樹脂進行離子交換，吸附所需要的離子，然后根據(jù)已知反應使化學平衡逆向移動，重新生成所需要的離子，這一步稱為洗脫，離子吸附與離子洗脫歸根到底還是化學平衡的移動。

【例4】(2016·全國卷Ⅲ·28節(jié)選)以硅藻土為載體的五氧化二釩(V2O5)是接觸法生產(chǎn)硫酸的催化劑。從廢釩催化劑中回收V2O5既避免污染環(huán)境又有利于資源綜合利用。廢釩催化劑的主要成分為

物質(zhì)V2O5V2O4K2SO4SiO2Fe2O3Al2O3質(zhì)量分數(shù)/%2.2～2.92.8～3.122～2860～651～2<1

以下是一種廢釩催化劑回收工藝路線：

回答下列問題：

(3)“流出液”中陽離子最多的是________。

(3)K+

五、電解法

除掉一些易發(fā)生氧化還原反應的離子還可以用電解法，該法的基本原理是將雜質(zhì)離子通過電解過程在陰、陽兩極分別發(fā)生還原反應和氧化反應轉(zhuǎn)化成氣體或者沉淀從而除掉，如將CN-在陽極上氧化為氮氣除掉，將Fe2+在陽極上氧化為Fe3+形成Fe(OH)3沉淀除掉等。如果將電解池與陰、陽離子交換膜聯(lián)用，交換膜本身就有單向通過作用，可有效地去除某些雜質(zhì)離子。

【例5】(2014·新課標全國卷Ⅰ·27改編)次磷酸(H3PO2)是一種精細磷化工產(chǎn)品，具有較強還原性。

(1)早期采用“三室電滲析法”制備H3PO2，其工作原理如圖所示，其缺點是產(chǎn)品中混有雜質(zhì)________，該雜質(zhì)產(chǎn)生的原因是________________________________________________。

(2)后來制取H3PO2采用“四室電滲析法”，工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)：

①寫出陽極的電極反應式：____________________。

②分析產(chǎn)品室可得到H3PO2的原因：________________________________________________。