化工流程題定量計(jì)算歸類建模解析

張連奇 劉 宇

(四川省瀘州市瀘縣第二中學(xué) 646106)

化學(xué)計(jì)算是理科學(xué)科各級(jí)各類考試的重要考查點(diǎn).初、高中化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的一個(gè)重要差異就是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的定性分析與定量探究的轉(zhuǎn)變，高中試題的不同題型中均可能涉及定量計(jì)算.化工流程題以化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)流程圖進(jìn)行呈現(xiàn)，利用物質(zhì)間轉(zhuǎn)變和化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作兩條主線進(jìn)行知識(shí)與問(wèn)題的呈現(xiàn)，不論物質(zhì)間的轉(zhuǎn)變還是化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作過(guò)程，均涉及相應(yīng)化學(xué)原理，即可借助某些量之間的變化設(shè)置定量計(jì)算，這已成為該類試題的一大熱點(diǎn)和難點(diǎn).文章通過(guò)化工流程題定量計(jì)算的歸類解析為例進(jìn)行說(shuō)明，以期引起學(xué)生的重視.

一、借助難溶電解質(zhì)Ksp計(jì)算溶液pH

課標(biāo)要求“學(xué)生能進(jìn)行溶液pH的計(jì)算”，同時(shí)“能選擇實(shí)例說(shuō)明溶液pH的調(diào)控在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中的重要作用”，在學(xué)習(xí)完Ksp的相關(guān)計(jì)算后，學(xué)生還需結(jié)合難溶電解質(zhì)的溶解度常數(shù)進(jìn)行溶液中包括c(H+)、c(OH-)的計(jì)算，據(jù)此可計(jì)算出對(duì)應(yīng)溶液的pH.

例1(2019年山西臨汾第一中學(xué)校高二期中，節(jié)選)鎵是制作高性能半導(dǎo)體的重要原料.工業(yè)上常從鋅礦冶煉的廢渣中回收鎵.已知某鋅礦渣主要含Zn、Si、Pb、Fe、Ga的氧化物，利用該礦渣制鎵的工藝流程如圖1所示.

圖1

已知：①鎵在元素周期表中位于第四周期第ⅢA族，化學(xué)性質(zhì)與鋁相似.

②lg2=0.3 lg3=0.48.

③部分物質(zhì)的Ksp見(jiàn)表1.

表1

室溫條件下，若浸出液中各陽(yáng)離子的濃度均為0.01mo/L，當(dāng)溶液中某種離子濃度小于1.0×10-5mol/L時(shí)即認(rèn)為該離子已完全除去，則pH應(yīng)調(diào)節(jié)的范圍為_(kāi)___.

答案：5.48

原理分析某鋅礦渣主要含Zn、Si、Pb、Fe、Ga的氧化物，加入硫酸，經(jīng)過(guò)濾，得到濾渣Ⅰ為SiO2、PbSO4，浸出液含有Zn、Fe、Ga的離子，加入過(guò)氧化氫，可氧化亞鐵離子生成鐵離子，調(diào)節(jié)溶液pH生成Fe(OH)3、Ga(OH)3沉淀，濾液含有硫酸鋅，經(jīng)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶可得到硫酸鋅晶體，濾渣Ⅱ含有Fe(OH)3、Ga(OH)3，加入過(guò)量的氫氧化鈉，可生成NaGaO2溶液，過(guò)濾得到有Fe(OH)3，分解可生成氧化鐵，電解NaGaO2溶液，可制備Ga，以此解答該題.

關(guān)鍵點(diǎn)撥通過(guò)調(diào)節(jié)電解質(zhì)溶液pH的范圍以除盡含有某離子溶液中的雜質(zhì)離子，需通過(guò)被提純離子和雜質(zhì)離子的Ksp關(guān)系進(jìn)行pH的計(jì)算.為除盡雜質(zhì)離子(即需使雜質(zhì)離子濃度低于1.0×10-5mol/L)同時(shí)不讓被提純離子沉淀，兩個(gè)計(jì)算所得溶液pH均不能取等.

二、運(yùn)用滴定原理計(jì)算物質(zhì)純度并進(jìn)行誤差分析

滴定是一種化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作也是一種定量分析的手段，包括酸堿中和滴定、氧化還原滴定和沉淀滴定等等；主要通過(guò)兩種溶液的定量反應(yīng)(中和反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和沉淀反應(yīng)等等)來(lái)確定某種溶質(zhì)的含量.并通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算物質(zhì)的濃度(或純度)，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際進(jìn)行誤差分析.

例2 (2020·廣東惠州高三三調(diào)，節(jié)選)KMnO4在實(shí)驗(yàn)室、生活、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用.已知一種制備KMnO4的實(shí)驗(yàn)流程(如圖2所示)、原理及相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

圖2

原理：反應(yīng)Ⅰ：

反應(yīng)Ⅱ：

(墨綠色) (紫紅色)

已知：25℃物質(zhì)的溶解度g/100g水，見(jiàn)表2.

表2

草酸鈉滴定法分析高錳酸鉀純度步驟如下：

(1)稱取1.5800 g高錳酸鉀產(chǎn)品，配成100 mL溶液

(2)準(zhǔn)確稱取三份0.5360 g已烘干的Na2C2O4，置于三個(gè)不同的潔凈錐形瓶中，分別加入少量蒸餾水使其溶解，再加入少量硫酸酸化；

(3)錐形瓶中溶液加熱到75～80℃，趁熱用(1)中配制的高錳酸鉀溶液滴定至終點(diǎn).

記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3

答案：80.00% 偏高

原理分析結(jié)合流程圖和原理知，KClO3與KOH在加熱熔融條件下分批加入MnO2，反應(yīng)生成K2MnO4、KCl熔融物，冷卻水浸泡形成K2MnO4、KCl溶液，通CO2，墨綠色K2MnO4溶液轉(zhuǎn)化成KMnO4溶液，結(jié)合25℃物質(zhì)(K2CO3、KMnO4)的溶解度關(guān)系，加熱，趁熱過(guò)濾出KMnO4，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到KMnO4固體.

解析設(shè)參加反應(yīng)的KMnO4的物質(zhì)的量為x：

2mol 5mol

則KMnO4的純度為

數(shù)據(jù)處理對(duì)于計(jì)算類的實(shí)驗(yàn)，均會(huì)存在誤差，為了將誤差降低到最低，采用多次(一般3次以上)實(shí)驗(yàn)就算平均值，數(shù)據(jù)的處理也就是幾次的平均值，但如果有一次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差過(guò)大，應(yīng)該先棄去偏差較大的一組數(shù)據(jù)再就平均值.

三、結(jié)合物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系計(jì)算物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)并進(jìn)行誤差分析

化工流程題的重要主線之一是元素化合物的轉(zhuǎn)變，在這些轉(zhuǎn)變過(guò)程中，物質(zhì)遵循質(zhì)量守恒關(guān)系.但由于物質(zhì)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，可能涉及到物質(zhì)的分離和提純等化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作，導(dǎo)致某些元素(物質(zhì))的質(zhì)量損失，因此涉及物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，同時(shí)依據(jù)計(jì)算原理分析可能的誤差討論.

例3 (2020·全國(guó)高三專題練習(xí)，節(jié)選)二氧化鈦是制取航天航空工業(yè)鈦合金的重要原料．用鈦鐵礦[主要成分是鈦酸亞鐵(FeTiO3)，含少量Fe2O3、MgO、SiO2等雜質(zhì)]作原料生產(chǎn)金屬鈦和綠礬(FeSO4·7H2O)等產(chǎn)品的一種工藝流程如圖3所示.已知：Ti有兩種價(jià)態(tài)，在水溶液中主要以TiO2+(無(wú)色)、Ti3+(紫色)形式存在.

圖3

請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

假如FeTiO3中的鐵元素占礦物中鐵元素總量的a%；某次生產(chǎn)中，向?yàn)V液1中加入純鐵粉為bkg，得到綠礬晶體的質(zhì)量為ckg，整個(gè)過(guò)程中鐵元素的總利用率為80%，Ti元素的轉(zhuǎn)化率為90%，其他損失忽略不計(jì).按上述流程，得到TiO2____kg(用數(shù)字和字母表示)

已知：M(FeSO4·7H2O)=278g·mol-1

答案：(3.247ac-12.86ab)×10-3

流程分析鈦鐵礦(主要成分是FeTiO3，含F(xiàn)e2O3、MgO、SiO2等雜質(zhì))加入硫酸加熱反應(yīng)得到固體熔塊，加入水水浸，得到浸取液中加入鐵屑將Fe3+還原為Fe2+，過(guò)濾得到X晶體為綠礬(FeSO4·7H2O)晶體和濾液TiOSO4，加入水反應(yīng)生成H2TiO3，高溫煅燒得到二氧化鈦.

設(shè)鐵元素總質(zhì)量為xkg，則

Fe - FeSO4·7H2O

56kg 278kg

xkg×80%ckg

Ti - TiO2

48kg 80kg

解得：y=(3.247ac-12.86ab)×10-3kg.

思路探究求TiO2的質(zhì)量，需先求出Ti的質(zhì)量.而Ti只存在于FeTiO3中，所以問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求FeTiO3中Fe的質(zhì)量.利用綠礬的質(zhì)量，可求出Fe的總量，去掉加入的鐵粉質(zhì)量，便可得到礦石中Fe的總量.利用化學(xué)式FeTiO3，便可建立Fe、Ti的質(zhì)量關(guān)系，從而求出Ti的質(zhì)量.

化工流程題涉及兩條主線均是關(guān)于元素化合物的轉(zhuǎn)變(化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生)，在化學(xué)反應(yīng)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，時(shí)常會(huì)設(shè)計(jì)諸如質(zhì)量、物質(zhì)的量、轉(zhuǎn)化率、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、純度等化學(xué)計(jì)算，也會(huì)依據(jù)反應(yīng)原理設(shè)計(jì)誤差分析等等，難度相對(duì)較大.熟悉該類試題的命題原理，掌握解題的一般方法和思路，將快速、有序的解答試題.