淺談“工藝流程題”中pH 的調節

◇ 河南 王清泉

高考改革的核心是由知識的傳授轉化為核心素養的培養,由教學生“考高分”轉化為培養高能學生“創高分”.“工藝流程題”符合核心素養的考查要求,已經成為化學試題的一道亮麗的風景.如何引導學生分析解答此類試題的方法,提高運用知識解決實際問題的能力,成為高考備考需要進行深入研究的課題.本文以幾道例題為例進行分析,進一步探究調節p H的原因及該類試題的解答策略.

例1(2019年全國卷Ⅰ,節選)硼酸(H3BO3)是一種重要的化工原料,廣泛應用于玻璃、醫藥、肥料等工藝.一種以硼鎂礦(含 Mg2B2O5·H2O、Si O2及少量Fe2O3、Al2O3)為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如圖1所示.

圖1

根據H3BO3的解離反應:H3BO3＋H2O?H＋＋[B(OH)4]－,Ka＝5.81×10－10,可以判斷 H3BO3是________酸;在“過濾2”前,將溶液的p H調節至3.5,目的是________.

分析本題以硼鎂礦制備硼酸的生產工藝為載體,將實際生產與化學知識相結合,考查考生獨立思考、邏輯思維、信息加工、分析和解決問題的能力.由題給解離反應:能電離出1個H＋,又為可逆反應可知,H3BO3為一元弱酸.向其鹽溶液中加入H＋,平衡向左移動,生成H3BO3.此問以由電離平衡移動的知識考查考生的邏輯思維能力、應用知識的遷移處理陌生問題的能力.調節p H是控制反應條件的一個重要手段,其目的可概括為“調酸、堿,促沉淀,除雜質,生成酸”.

例2硼及其化合物在工業上有許多用途.以鐵硼礦(主要成分為 Mg2B2O5·H2O和Fe3O4,還有少量Fe2O3、Fe O、Ca O、Al2O3和Si O2等)為原料制備硼酸(H3BO3)的工藝流程如圖2所示.

圖2

請回答以下問題:

“凈化除雜”需先加 H2O2溶液,作用是________,然后再調節溶液的p H約為5,目的是________.

分析本題以鐵硼礦為原料制備硼酸的生產工藝為載體,考查相關化學知識.由流程圖可知,加H2O2溶液是將Fe2＋氧化成Fe3＋,調節溶液的p H,目的是使雜質Fe3＋與Al3＋轉化成氫氧化物沉淀而除去.此題中調節p H的目的是生成弱堿,產生沉淀.

例3工業上回收利用某合金廢料(主要含Fe、Cu、Al、Co、Li等)的工藝流程如圖3所示.

圖3

已知:①Co、Fe都是中等活潑金屬.

②Ksp[Al(OH)3]＝1.0×10－32,Ksp[Fe(OH)3]＝1.0×10－38,Ksp[Fe(OH)2]＝8.0×10－19.

③常溫下,p H＝7.3時Li＋或Co3＋開始沉淀.

氨水的作用是調節溶液的p H,常溫下,使溶液中雜質離子剛好沉淀完全而全部除去(濃度小于1.0×10－5mol·L－1認為完全沉淀).需調節溶液的p H范圍為________.

分析根據流程圖分析可知金屬M為Cu,加H2O2溶液是將Fe2＋氧化為 Fe3＋.對比Fe3＋和 Al3＋的Ksp可知,Al3＋沉淀完全時,Fe3＋也沉淀完全,應按照Al3＋進行計算.由題意知:

解得c(OH－)＝1.0×10－9mol·L－1,可知p H＝5,因此要使Al3＋沉淀完全,p H＞5.結合題中已知,p H＝7.3時,Li＋或Co3＋開始沉淀,故p H＜7.3.所以p H范圍為5.0＜p H＜7.3.

例4以鐵硼礦為原料,利用碳堿法工藝生產硼和鎂,其工藝流程如圖4所示.

圖4

已知:鐵硼礦的主要成分為 Mg2B2O5·H2O和Fe3O4,還有少量Al2O3和Si O2等;硼砂的化學式為Na2B4O7·10 H2O.

碳堿工藝需兩次調節p H:

① 常用H2SO4調節硼砂溶液p H＝2～3,其目的是________,該反應的離子方程式為________.

② 制取 Mg Cl2·6 H2O時,在“凈化除雜”過程中,需先加H2O2溶液,然后用Mg O調節p H約為5,其目的是________.

分析①用H2SO4調節硼砂溶液的p H＝2～3,目的是降低溶液的p H,增大c(H＋),生成H3BO3,其離子方程式為:②用Mg O調節p H的目的是使Fe3＋水解轉化為Fe(OH)3而除去.

總之,生產工藝中p H調節是真實的操作過程,需要結合具體問題進行具體分析,回答此類試題的關鍵是縱觀全局,分析每一步操作的作用,認清p H控制的目的,規范寫出答案.