化工生產流程中的除雜方法

成黎黎

(江蘇省南通市海門實驗學校)

化工流程題是高考化學必考題之一,結合元素化合物知識,考查化學反應速率、化學平衡、鹽的水解、物質的分離與提純等基本理論.化工生產大多是利用自然界中的礦石生產所需要的產品.天然礦石中含有雜質,生產過程中需要將這些雜質除去,除去雜質的過程成為化工流程題的考查方向.

1 根據化工原料的成分除雜

解答化工流程題,要明確礦石的主要成分和次要成分,需要掌握這些成分所屬物質的類別,具有什么性質,能與哪些物質發生化學反應,在化工流程中發生了什么反應,最終到了哪里等知識點.

例1 納米氧化鎂是在磁性、催化方面有許多特異功能的新材料,具有重要價值.工業上以菱鎂礦(主要成分為MgCO3,含少量FeCO3、CaCO3和SiO2雜質)為原料制備納米氧化鎂的工藝流程如圖1所示.

圖1

(1)在“焙燒”中,SiO2幾乎不發生反應,MgCO3、FeCO3、CaCO3轉化為相應的硫酸鹽.寫出FeCO3轉化為NH4Fe(SO4)2的化學方程式:________.

(2)“濾渣Ⅰ”的成分是_________.

(3)已知在該條件下金屬離子開始沉淀和完全沉淀時的pH 如表1所示.

表1

上述流程中所用“氧化劑”常為雙氧水,這一步不可省掉的理由是_________.

(4)“試劑a”可能是_________;調節pH 的范圍是_________.

分析 (1)FeCO3轉化為NH4Fe(SO4)2,Fe元素化合價升高,被空氣中的氧氣氧化,“焙燒”時生成的主要氣體有NH3、CO2,則化學方程式為

4FeCO3＋O2＋8(NH4)2SO4＝4NH4Fe(SO4)2＋12NH3↑＋4CO2↑＋6H2O.(2)CaSO4是微溶物,SiO2不溶于水,“濾渣Ⅰ”的成分是CaSO4、SiO2.(3)根據表格數據可知,Fe2＋未沉淀完全時,Mg2＋已開始沉淀,故上述流程中常用雙氧水將Fe2＋氧化為Fe3＋,這一步不可省掉的理由是:防止Fe2＋未完全轉化成Fe3＋,導致下一步Fe2＋和Mg2＋可能同時沉淀,后續難以分離產品.(4)試劑a可能是MgO(或MgCO3、Mg(OH)2、Mg2(OH)2CO3等);調節pH 使Fe3＋完全轉化為Fe(OH)3沉淀時Mg2＋未開始沉淀,則調節pH 的范圍是2.8≤pH＜8.9.

2 根據溶液的pH 除雜

化工流程中通常用調節溶液pH 的方法使雜質離子產生沉淀并除去.

例2 碳酸鍶(SrCO3)難溶于水,主要用于電磁材料和金屬冶煉.一種由工業碳酸鍶(含少量Ba2＋、Ca2＋、Mg2＋、Pb2＋等)制備高純碳酸鍶的工藝流程如圖2所示.

圖2

已知:Ⅰ.Cr(OH)3為兩性氫氧化物;

Ⅱ.常溫下,各物質的溶度積常數如表2所示.

表2

回答下列問題:

(1)“沉鋇、鉛”時,pH 過低會導致(NH4)2CrO4的利用率降低,原因是_________(用離子方程式解釋);“還原”時發生反應的離子方程式為________.

(2)“濾渣1”的主要成分為_________(填化學式).

(3)用氨水和NaOH 分步調節pH,而不是直接調節溶液的pH≈13的原因為_________.

(4)“調pH ≈13”后需對溶液進行煮沸并趁熱過濾出濾渣2,煮沸并趁熱過濾的原因是________.

分析 (1)(NH4)2CrO4溶液中存在平衡:2CrO2－4＋2H＋?Cr2O2－7＋H2O,pH 過低,H＋濃度過大,平衡正向移動,更多的CrO2－4轉化為Cr2O2－7,導致(NH4)2CrO4的利用率降低;結合流程和分析來看,“還原”時草酸和Cr2O2－7發生氧化還原反應,離子方 程 式 為8H＋＋Cr2O2－7＋3H2C2O4＝2Cr3＋＋6CO2↑＋7H2O.(2)“濾渣1”的主要成分為Cr(OH)3.(3)Cr(OH)3是兩性氫氧化物,pH 過大Cr(OH)3會溶解,故用氨水和NaOH 分步調節pH,而不是直接調節溶液的pH≈13,原因是pH 過高會使Cr(OH)3溶解,導致鉻的去除率降低.(4)“調pH≈13”主要是使Mg2＋、Ca2＋沉淀,“調pH ≈13”后需對溶液進行煮沸并趁熱過濾的原因是Ca(OH)2的溶解度隨著溫度的升高而降低,煮沸并趁熱過濾有利于除盡溶液中的Ca2＋.

3 根據加入的沉淀劑除雜

解題過程中要理解化工流程題中加入的試劑所起的作用,有的是溶解原料,有的是與原料中的某種成分反應,還有的是沉淀原料中的雜質離子.

例3 CoC2O4是制備金屬鈷的原料,利用含鈷廢料(主要成分為Co2O3,含少量Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、碳及有機物等)制取CoC2O4的工藝流程如圖3所示.已知:

圖3

①Ksp(MgF2)＝7.42×10－11,Ksp(CaF2)＝1.46×10－10;②氧化性:Co2O3＞O2＞Cl2;

③部分金屬離子沉淀的pH 如表3所示(開始沉淀的pH 按離子濃度為1.00mol·L－1計算).

表3_

離子濃度小于1.0×10－5mol·L－1時,認為該離子沉淀完全.

(1)“500 ℃焙燒”的目的是_________.

(2)“凈化除雜1”過程中,先在40～50 ℃時加入H2O2,其作用是_________(用離子方程式表示);再升溫至80～85 ℃,加入Na2CO3溶液,調pH 至4.5,“濾渣1”的主要成分是________.

(3)“凈化除雜2”可將Mg2＋、Ca2＋沉淀除去,當c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1時,溶液中的Ca2＋是否沉淀完全:_______(填“是”或“否”).

分析 (1)500 ℃焙燒時,碳會變成CO2逸出,有機物會生成CO2和水,則“500 ℃焙燒”的目的是除去碳和有機物.(2)“鈷浸出”過程中,Na2SO3將Co3＋、Fe3＋還原為Co2＋、Fe2＋,“凈化除雜1”過程中,先在40～50 ℃加入H2O2,可將Fe2＋氧化成Fe3＋,發生的反應為H2O2＋2Fe2＋＋2H＋＝2Fe3＋＋2H2O.再升溫至80～85 ℃,加入Na2CO3溶液,CO23－和Fe3＋發生雙水解反應,Fe3＋轉化為Fe(OH)3沉淀,則“濾渣1”的主要成分是Fe(OH)3.(3)當c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1時,Ksp(MgF2)＝7.42×10－11,則