无机化工流程问题解题模型探究

李雷

摘 要：本文以2018年高考全国卷中化学学科的无机化工流程必考题的工序背景作为研究点，提出了解决该问题的三步法，即矿石的处理、除杂过程、产品的获得及提纯。并对三步法中常出现的问题给出了解决方案。

关键词：无机化工流程，溶液，除杂

高中化学高考考试大纲在2017年做了较大修改，选做题由3选1变成了2选1，取消了原有选修二《化学与技术》的考查。原有选修二的内容与无机化学基础原理和元素化学内容相融合，以无机化工流程的形式加以考查。纵观全国卷I自2011年至2018年的高考化学真题，只有2012年和2014年的三道必考题部分未考查无机化工流程问题，因此无机化工流程问题必须引起高三学生复习的高度重视。

2018年三套全国卷中均涉及以无机化工流程为背景的必考题：

2018年全国卷I：利用烟道气中的SO2生产Na2S2O5的工艺为：

2018年全国卷II：我国是世界上最早制得和使用金属锌的国家，一种以闪锌矿（ZnS，含有少量SiO2和少量FeS、CdS、PbS杂质）为原料制备金属锌的流程如图所示：

2018年全国卷III：利用“KClO3氧化法”制备KIO3工艺流程如下图所示：

全国卷I以烟道煤气中SO2制备焦亚硫酸钠为背景，全国卷II以闪锌矿制备单质锌为背景，全国卷III以“KClO3氧化法”制备KIO3为背景，结合高中化学基础知识设置问题。其中全国卷II为完整的工业流程及问题考查，全国卷I和III以无机化工流程为背景创设问题并与其它知识考题相结合。全国卷I考查了方程式的书写，pH对反应的影响等内容。全国卷III考查了气体逸出方法，方程式的书写及溶液成分的判断内容。全国II卷则综合考查了学生化学元素化学的基本知识、电解的应用、方程式的书写等内容。

以全国卷II为例看无机化工流程题的解法：做好该题关键是理解每个工序的目的，可以看出焙烧及溶浸工序为对矿石的处理过程，氧气氧化过程是将Fe2+氧化成Fe3+，加入ZnO的目的为调高溶液pH，加入金属Zn是为了还原溶液中的Cd2+，这两道工序为溶液的除杂过程，最后电解ZnSO4溶液得单质锌，流程结束。该题非常好的体现了立足基础、注重综合、关注知识体系以及培养民族精神的化学学科素养。

通过以上高考真题可以看到，无机化工流程问题的试题情境大致分为三大部分，即矿石的处理、除杂过程、产品的获得及提纯，小结如下：

一、矿石的处理

矿石以金属氧化物及硅酸盐、二氧化硅等成分为主，首先应将固体矿石处理成溶液，则涉及浸取的问题。

浸取的过程以酸浸为主，因酸能与绝大多数金属氧化物反应达到矿石溶解的目的，酸浸过程主要不溶物为二氧化硅。同时也可以碱浸，与碱能反应的为两性的金属氧化物及二氧化硅。甚至可以出现先碱后酸的过程，依据所给信息及元素性质的知识储备也可推导出哪种物质溶解。在浸取过程后会跟着过滤的操作，将难溶物和浸取液体系分离。

矿石的处理中常见问题：

1.过滤所需的玻璃仪器：即烧杯、漏斗、玻璃棒。

2.过滤后滤渣的成分：由于矿石成分复杂不可能100%溶解，滤渣中会含有未溶解的矿石;酸浸过程滤渣主要为SiO2;碱浸过程滤渣主要为不与碱反应的金属氧化物;先碱后酸过程滤渣主要为H2SiO3（SiO2先溶解后析出）。

3.提高浸取率的方法：一般为将矿石粉碎、加热、提高酸浸或碱浸过程中酸或碱的浓度、充分搅拌等（简单可理解为溶的快即溶的多，所以提高溶解反应速率的方法即提高浸取率的方法）。

二、除杂过程

为了得到目标产品，必须对浸取液中所含杂质进行除杂处理，常见杂质为金属阳离子。如Fe3+、Fe2+、Al3+等。不同金属阳离子开始沉淀和完全沉淀的pH如下表：

金属离子 Fe3+ Al3+ Fe2+ Zn2+ Co2+ Mg2+

开始沉淀 2.2 4.1 7.5 6.5 7.2 9.6

完全沉淀 3.5 5.4 9.5 8.5 9.2 11.6

由上表可知：可通过调高pH的方法除去金属阳离子，但Fe2+、Zn2+、Mg2+、Co2+完全除去的pH相对较高，可能会沉淀目标产物中的金属阳离子，因此不能将溶液pH调得太高。

Fe2+的除杂一般采取先氧化后调pH的方法与Fe3+和Al3+一并除去，所以应加入一种氧化剂将Fe2+氧化成Fe3+，双氧水是一个很好的选择，则2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O的离子方程式尤为重要。

Mg2+、Ca2+、Li+的除杂一般采取加入氟盐（NH4F）的方法使其以难溶性MFn的形式沉淀。如果为碱浸过程，则SiO32-为必须除去的杂质离子，也应采取调pH的方法除去，但该体系应调低pH，利用2H++SiO32-=H2SiO3↓的方法除去。调完pH后一般跟随过滤的操作，将产生的沉淀过滤除去，否则可能影响下一步的除杂过程，比如说产生的Al（OH）3沉淀，再调高pH可使Al（OH）3溶解重新产生AlO2-杂质离子。

除杂过程常见问题：

（1）pH调节范围：将杂质离子完全沉淀时的pH与目标产物中的金属离子开始沉淀的pH之间。例：目标产物为CoSO4，则除去Fe2+、Fe3+、Al3+的方法为先加氧化剂，后调pH的范围为5.4～7.2。

（2）调pH所需物质：如果想调高pH，只要能与H+反应均能达到目的，但为了不引入新的杂质，一般用目标产物中金属阳离子对应的氧化物、碱及碳酸盐。

三、产品的获得及提纯過程

一般采用三种方法获得产品：

①溶液中得含溶质晶体，方法为蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。

②加入另一种反应物以复分解方法得沉淀，过滤。

③通过电解、置换等方法得某种单质。

其中以第一种方法考查几率较大。过滤后得到的是粗产品，要想的到纯度相对较大的产品应加上提纯过程，即洗涤和干燥。

产品的获得过程常考题型：

（1）得到溶质较纯晶体的方法：蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥。

（2）洗涤的标准操作：向漏斗内注水至没过固体表面，待水自然流下，重复2～3次。

（3）判断晶体是否洗净的方法：取最后一次洗涤液，加，若无现象，则洗净。即检验某种离子的存在，检验过程要求被检验离子不能是目标产品中包含的离子（沉淀溶解平衡的影响），并且现象应明显一般为沉淀法。答题技巧：被检验离子一般为酸浸过程中所用酸的阴离子，一般为Cl-或SO42-。

提醒同学注意对题干所给信息的运用，一般所给信息为某个题目的答题要点。一般来说无机化工流程题还会涉及1～2个方程式的书写，提示在书写方程式时一定要注意体系的酸碱性环境。

综上，建议无机化工流程问题的解题步骤如下：首先结合题干所给信息去理解每个工序的目的，可通过本文中提到的矿石的处理、除杂过程、产品的获得及提纯三步法加以分析，特别提醒部分工序也需结合下面问题中的信息。其次整理流程中涉及的一些无机化学及元素化学基础知识，与流程中的工序相结合构建流程过程的知识体系。最后解答习题。即：