例談無機工藝流程中的條件調(diào)控

無機工藝流程中，無論是在原料的預處理及核心反應工序，還是在產(chǎn)品的分離和提純工序，都需要在一定條件下進行.溫度、濃度、壓強、溶液的 Δ p H 、物質(zhì)的狀態(tài)等都是需要調(diào)控的變量.

調(diào)控反應速率

在原料的預處理工序，通常通過改變溫度、濃度、物質(zhì)狀態(tài)等措施來調(diào)控反應速率，提高浸出率.

例1（1)（2024年新課標卷，節(jié)選）“酸浸\"前廢渣需粉碎處理，目的是

(2)（2020年全國甲卷，節(jié)選）“酸浸氧化\"需要加熱，其原因是

(3)(2021年山東卷，節(jié)選)向鉻鐵礦（ ）中通入 進行焙燒，焙燒時氣體與礦料逆流而行，目的是

(4)（2023年全國乙卷，節(jié)選)為提高硫酸溶礦速率，可采取的措施有 (舉1例).

(5)向金屬Bi中加入稀 酸浸，過程中分次加入稀 可降低反應劇烈程度，其原理是

分析（1)\"酸浸\"前廢渣需粉碎處理是為了增大固液接觸面積，加快酸浸速率，提高浸取效率.（2)加熱是為了加快酸浸和氧化反應速率.（3)氣體與礦料逆流而行可以增大反應物接觸面積，提高化學反應速率.（4)適當增大硫酸濃度、升高溫度、將礦石粉碎、攪拌等可以提高硫酸溶礦速率.（5)分次加入稀 可減少稀 的用量，使 充分反應，防止揮發(fā)，降低反應劇烈程度.

1)加快反應速率，提高浸出率的常用方法：① 將固體粉碎或研磨； ② 將液體霧化； ③ 攪拌； ④ 適當升高溫度； ⑤ 適當增大反應物的濃度；等等.2)分次加入反應物常考慮以下幾個方面： ① 控制用量，防止過量導致發(fā)生副反應； ② 降低反應劇烈程度； ③ 防止反應放熱導致溫度過高，造成副反應的發(fā)生，以及物質(zhì)的揮發(fā)、分解等.

2 調(diào)控溫度

溫度調(diào)控貫穿整個工藝流程，不管是原料的預處理還是物質(zhì)轉(zhuǎn)化，亦或是去除雜質(zhì)、產(chǎn)品的結(jié)晶，都需要調(diào)控至所需的溫度.

一例2（1)（2024年湖北卷，節(jié)選)一種從鋁硅酸鹽 中提取鈹?shù)穆窂街校瑸榱藦摹盁崛邸⒗鋮s”步驟得到玻璃態(tài)，冷卻過程的特點是

(2)（2019年全國I卷，節(jié)選)為充分利用資源，變廢為寶，在實驗室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，具體流程如圖1所示.

步驟 ② 需要溫度保持 ，采用的合適加熱方式是

（3)用雙氧水和氨水“除鐵”時需要控制反應溫度不能高于 的原因是

（4）已知： 的溶解度曲線如圖2所示.

“沉鋰”后進行的操作依次為蒸發(fā)濃縮、、洗滌、干燥.

分析 (1)熔融態(tài)物質(zhì)冷卻凝固時，緩慢冷卻會形成晶體，快速冷卻會形成非晶態(tài)，即玻璃態(tài)，所以從“熱熔、冷卻”中得到玻璃態(tài)，其冷卻過程的特點是快速冷卻.(2)溫度需要保持 ，低于 ，可采用熱水浴加熱.（3)雙氧水易分解，濃氨水易揮發(fā)、易分解，為防止雙氧水分解及濃氨水的揮發(fā)、分解，需要控制反應溫度不能高于 由圖中曲線可知，溫度越高越有利于 析出，故應趁熱過濾.

1)熔融態(tài)物質(zhì)冷卻凝固，緩慢冷卻得到晶體，但快速冷卻常常只得到粉末或沒有規(guī)則外形的塊狀物，甚至形成的是非晶態(tài)(玻璃態(tài)).2)調(diào)控溫度時，為了使受熱均勻，常采用熱水浴、冰水浴或油浴等.3)調(diào)控溫度的目的通常從以下幾個角度思考： ① 反應速率：溫度對反應速率有影響，也會影響催化劑的活性； ② 轉(zhuǎn)化率：溫度對平衡轉(zhuǎn)化率有影響；③ 副反應：為了減少副反應的發(fā)生，反應體系需要控溫； ④ 防止分解或揮發(fā)：如 、氨水、銨鹽、硝酸等； ⑤ 防止氧化：反應體系中有醛類、酚類等物質(zhì)，需要控溫； ⑥ 溶解度：溫度會影響晶體或氣體的溶解度；⑦ 水解程度：溫度對離子的水解程度有影響，根據(jù)實際生產(chǎn)要求控溫.

3 調(diào)控濃度

工藝流程中，試劑的加人要根據(jù)實際需要選擇適量或過量，選擇稀溶液或濃溶液，調(diào)節(jié)溶液的 pH 可以加快物質(zhì)的溶解、將雜質(zhì)分離除去、促進物質(zhì)的結(jié)晶等.

例3(1)利用鋰輝石(主要含 ，還含有FeO、 C a O 、 M g O 等）制備 的流程如圖3所示.

已知： ① 完全沉淀后離子濃度低于 ; ② 部分金屬氫氧化物的 （ )的柱狀圖如圖4所示.

濾渣1主要成分為 ） ，則加入 控制 p H 至少為

(2)洗滌氯化銀沉淀時使用一定濃度的鹽酸而不使用水，原因是

(3)將 固體和 混合加熱可得到無水 .加人 固體的作用是

分析（1)根據(jù)柱狀圖分析可知， 的 大于 的 ，那么使 完全沉淀的p H 大于 的， 的 ， 完全沉淀時有

故 ，即 p H= 4 . 7 ，所以p H 至少為4.7.

( 2 ) A g C l 在鹽酸中的溶解度小于在水中的，故使用一定濃度的鹽酸洗滌可以減少 A g C l 的溶解損耗.

(3 直接加熱會發(fā)生水解： ，加人 ，受熱分解生 成HCl，抑制 水解.

調(diào)控溶液的 p H 通常從以下幾個角度思考：1)調(diào)控溶液的酸堿性：增大溶液的 p H ，促進金屬離子水解生成膠體或沉淀；減小溶液的 Δ p H ，抑制金屬離子的水解或使硅酸根離子、四羥基合鋁酸根離子等完全沉淀而除去.2)調(diào)控一定的pH范圍使特定的氧化還原反應發(fā)生.3)通過調(diào)控溶液的酸堿性實現(xiàn)萃取和反萃取.

除以上調(diào)控外，有時還需要調(diào)控物質(zhì)的用量，若用量過多會浪費資源，增加后續(xù)雜質(zhì)處理量，產(chǎn)生副反應等；若用量過少，會使反應速率過慢，反應不充分，產(chǎn)率下降等.總之，分析工藝流程中條件的調(diào)控，首先要深刻理解流程的目的，然后選擇合適的溫度、濃度和反應時間等，至于溶液pH調(diào)控的具體范圍則需要根據(jù)已知條件確定或通過定量計算得出.

（完）