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高中化学新课程改革的一个显著特点是,教材内容非常重视与工农业生产和日常生活的紧密联系.因此,反映化工生产技术的工艺流程题,便成为新课改后的高中化学练习题的新增点和主流题型之一,不少省区,还将化学工艺流程题,作为一年一度的化学高考试题,为此,本文除建议化学复习要充分利用生产、生活中的鲜活实例,“活化”知识外,重点谈谈化学工艺流程题的特点与解法技巧.
一、工艺流程题的特点和作用
其特点与作用有三:一是试题源于生产实际,以解决化学实际问题作思路进行设问,使问题情境真实,能培养学生理论联系实际,学以致用的学习观;二是试题内容丰富,涉及化学基础知识的方方面面,能考查学生化学双基知识的掌握情况和应用双基知识解决化工生产中有关问题的迁移推理能力;三是试题新颖,一般较长,阅读量大,能考查学生的阅读能力和资料的收集处理能力.
二、解题方法
化学工艺生产主要解决的矛盾,归纳起来主要有六个方面问题:一是解决将原料转化为产品的生产原理;二是除去所有杂质并分离提纯产品;三是提高产量与产率;四是减少污染,考虑“绿色化学”生产;五是原料的来源既要考虑丰富问题,又要考虑成本问题:六是生产设备简单,生产工艺简便可行等工艺生产问题.化学工艺流程题,一般也就围绕以上六个方面设问求解.要准确、顺利解答化学工艺流程题,除了必须要掌握物质的性质和物质之间相互作用的基本知识以及除杂分离提纯物质的基本技能外,最关键的问题要掌握和具备分析工艺生产流程的方法和能力.为此特提出下列四种解题基本方法,供参考.
1.首尾分析怯
对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙生产工序)试题,首先对比分析生产流程示意图中的第一种物质原材料与最后一种物质产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产流程过程中原料转化为产品的基本原理和除杂分离提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答.
【例1】 (2008年,广州高考一模23题)聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂,其单体是液态的碱式氯化铝[Al2(OH)nCl6-n].本实验采用铝盐溶液水解絮凝法制碱式氯化铝.其制备原料为分布广、价格廉的高岭土,化学组成为:Al2O3(25%~34%)、SiO2(40%～50%)、Fe2O3(0.5%~3.0%)以及少量杂质和水分.已知氧化铝有多种结构,化学性质也有差异,且一定条件下可相互转化;高岭土中的氧化铝难溶于酸.制备碱式氯化铝的实验流程如下:
根据流程图回答下列问题:
(1)“煅烧”的目的是 .
(2)配制质量分数15%的盐酸需要200mL30%的浓盐酸(密度约为1.15g/cm3)和 g蒸馏水,配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、 .
(3)“溶解”过程中发生反应的离子方程式为 .
(4)加少量铝粉的主要作用是 .
(5)“调节溶液pH在4.2～4.5”的过程中,除添加必要的试剂,还需借助的实验用品是: ;“蒸发浓缩”需保持温度在90~100℃,控制温度的实验方法是.
解析:对比原料与产品可知,该生产的主要工序:一是除去原料高岭土中的杂质,二是将Al2O3利用水解絮凝法转化为产品.再进一步分析,除铁用铝置换后过滤,高岭土中的Al2O3不溶于酸,必须经煅烧改变结构.该题经这样分析,题设的所有问题的答案就在分析之中.
参考答案:(1)改变高岭土的结构,使其能溶于酸 (2)230 量筒
(3)Al2O3+6H+=2Al3++3H2O Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O
(4)除去溶液中的铁离子; (5)pH计(或精密pH试纸);水浴加热
简评:首尾分析法是一种解工艺流程题的常见方法,这种方法的特点是:简单、直观,很容易抓住解题的关键,用起来方便有效.使用这一方法解题,关键在于认真对比分析原材料与产品组成,从中产生的将原料转化为产品和除去原材料中所包含的杂质的基本原理和所采用的工艺生产措施.当把生产的主线弄清楚了,围绕生产主线所设计的系列问题,也就迎刃而解.
2.截段分析法
对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工艺流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点.
【例2】 (2007年,广东高考第21题)以氯化钠和硫酸钠为原料制备氯化铵及副产品硫酸钠,工艺流程如下:
氯化铵和硫酸钠的溶解度随温度变化如下图所示.回答下列问题.
(1)欲制备10.7gNH4Cl,理论上需NaCl g.
(2)实验室进行蒸发浓缩用到的主要仪器有 、烧杯,玻璃棒、酒精灯等.
(3)“冷却结晶”过程中,析出NH4Cl晶体的合适温度为 .
(4)不用其他试剂,检查NH4Cl产品是否纯净的方法及操作是 .
(5)若NH4Cl产品中含有硫酸钠杂质,进一步提纯产品的方法是 .
解析:该生产流程的特点是:用同样原材料既生产主要产品氯化铵,同时又生产副产品硫酸钠.因此,为了弄清整个生产流程工艺,只能分段分析,即先分析流程线路中如何将原料转化为硫酸钠的,然后再分析又如何从生产硫酸钠的母液中生产氯化铵,即将题供的流程路线截成两段分析,这样,便可以降低解题的难度.
结合流程示意图和溶解度曲线图分析,生产硫酸钠只能用热结晶法,生产氯化铵用冷结晶法,因为温度降到35℃以下,结晶得到的产品为Na2SO4•10H2O.
参考答案:(1)11.7g (2)蒸发皿 (3)35℃(或33~40℃之间任意值) (4)加热法.取少量氯化铵产品于试管底部,加热,若试管底部无残留物,表明氯化铵产品纯净 (5)重结晶.
简评:用截断分析法解工艺流程题是一种主流解题方法.因为当前的化工生产,为了降低成本,减少污染,增加效益,大都设计成综合利用原材料,生产多种产品的工艺生产线.为此这种工艺流程题很多.用截断分析法解工艺流程题关键在于选对属型和如何截段,截几段更合理.一般截段以生产的产品为准点.但也不一定,特殊情况也很多,必须具体情况作具体分析.
3.交叉分析法
有些化工生产选用多组原材料,事先合成一种或几种中间产品,再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品.以这种工艺生产方式设计的工艺流程题,为了便于分析掌握生产流程的原理,方便解题,最简单的方法,就是将提供的工艺流程示意图画分成几条生产流水线,上下交叉分析.
【例3】 某一化工厂的生产流程如下图:
(1)L、M的名称分别是_____ 、 .
(2)G→H过程中为什么通入过量空气: .
(3)用电子式表示J: .
(4)写出饱和食盐水、E、F生成J和K(此条件下K为沉淀)的化学方程式:_____ ,要实现该反应,你认为应该如何操作: .
解析:根据流程示意图分析可知,用空气、焦炭和水为原材料,最终生产产品L和J、M.首先必须生产中间产品E,这样,主要生产流水线至少有两条(液态空气-E-M;焦炭-E-L).为了弄清该化工生产的生产工艺,须将这两条生产流水线交叉综合分析,最终解答题设的有关问题.
参考答案:(1)硝酸铵;碳酸钠 (2)提高NO的转化率
(3)
(4)NH3+H2O+NaCl+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl 向饱和的食盐水中先通入足量的NH3,再通入足量的CO2
简评:从本题分析得知,构成交叉分析的题型,从提供的工艺流程上看,至少有三个因素(多组原材料、中间产品、多种产品)和两条或多条生产流水线的化工生产工艺.利用交叉分析法解工艺流程题的关键,在于找准中间产品(因为有时会出现多种中间产品)和流水生产的分线,在分析过程中,抓住中间物质的关联作用,逐一破解.
4.“瞻前顾后”分析法
有些化工生产,为了充分利用原料,变废为宝,设计的生产流水线除了主要考虑将原料转化为产品外,同时还要考虑将生产过程的副产品转化为原料的循环生产工艺.解答这种类型题时宜用“瞻前顾后”分析法.“瞻前顾后”分析法,指分析工艺生产流程时,主要考虑原料转化为产品的问题(瞻前),同时也要考虑原料的充分利用和再生产问题(顾后).
【例4】 利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下:
依据上述流程,完成下列填空:
(1)天然气脱硫时的化学方程式是__________.
(2)nmolCH4经一次转化后产生CO0.9nmol,产生H2 mol(用含n的代数式表示).
(3)K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行,加压的理论依据是 .
A.相似相容原理
B.勒夏特列原理
C.酸碱中和原理
(4)分析流程示意图回答:该合成氨工艺主要原料是 ,辅助原料有 .
(5)请写出由CH4为基本原料经四次转化为合成氨的N2、H2的化学反应方程式 .
(6)整个流程有三处循环,一是Fe(OH)3循环,二是K2CO3(aq)循环,请在上述流程图上标出第三处循环(循环方向和循环物质).
解析:该生产工艺属于多处循环生产工艺,因此分析工艺流程示意图时,分析的主线是弄清基本原材料CH4转化为合成氨的基本原料N2和H2的工艺生产原理.但还要回头分析循环生产的理由和循环生产的工艺生产段.通过这样既考虑产品的合成,又考虑原料的充分利用,该题所涉及的问题也就可以解答了.
参考答案:(1)3H2S+2Fe(OH)3=Fe2S3+6H2O
(2)2.7n (3)B (4)CH4、H2O、空气;K2CO3、Fe(OH)3
(5)CH4+H2O=CO+3H2;
2CH4+3O2=2CO+4H2O;
CO+H2O=CO2+H2;
CO2+H2O+K2CO3=2KHCO3
简评:用“瞻前顾后”分析循环工艺生产流程题,关键是如何找到循环生产点,即在什么情况下,什么生产阶段实施循环生产.判断循环生产点的方法,一是看反应是否为可逆反应,如果是可逆反应,要考虑原料的循环利用.如本题合成氨反应是可逆反应,分离氨后的尾气中还含有大量原料气N2和H2,千万不能随便排放,必须送入合成塔,实施循环生产.二是看副产品的分子组成与某种原料的组成中有无相同的元素,如果有,而且该副产品又容易转化为某种原料,就可以考虑循环生产工艺.
如本题的的循环生产;的循环生产.
(责任编辑:廖银燕)
一、工艺流程题的特点和作用
其特点与作用有三:一是试题源于生产实际,以解决化学实际问题作思路进行设问,使问题情境真实,能培养学生理论联系实际,学以致用的学习观;二是试题内容丰富,涉及化学基础知识的方方面面,能考查学生化学双基知识的掌握情况和应用双基知识解决化工生产中有关问题的迁移推理能力;三是试题新颖,一般较长,阅读量大,能考查学生的阅读能力和资料的收集处理能力.
二、解题方法
化学工艺生产主要解决的矛盾,归纳起来主要有六个方面问题:一是解决将原料转化为产品的生产原理;二是除去所有杂质并分离提纯产品;三是提高产量与产率;四是减少污染,考虑“绿色化学”生产;五是原料的来源既要考虑丰富问题,又要考虑成本问题:六是生产设备简单,生产工艺简便可行等工艺生产问题.化学工艺流程题,一般也就围绕以上六个方面设问求解.要准确、顺利解答化学工艺流程题,除了必须要掌握物质的性质和物质之间相互作用的基本知识以及除杂分离提纯物质的基本技能外,最关键的问题要掌握和具备分析工艺生产流程的方法和能力.为此特提出下列四种解题基本方法,供参考.
1.首尾分析怯
对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙生产工序)试题,首先对比分析生产流程示意图中的第一种物质原材料与最后一种物质产品,从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产流程过程中原料转化为产品的基本原理和除杂分离提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答.
【例1】 (2008年,广州高考一模23题)聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂,其单体是液态的碱式氯化铝[Al2(OH)nCl6-n].本实验采用铝盐溶液水解絮凝法制碱式氯化铝.其制备原料为分布广、价格廉的高岭土,化学组成为:Al2O3(25%~34%)、SiO2(40%～50%)、Fe2O3(0.5%~3.0%)以及少量杂质和水分.已知氧化铝有多种结构,化学性质也有差异,且一定条件下可相互转化;高岭土中的氧化铝难溶于酸.制备碱式氯化铝的实验流程如下:
根据流程图回答下列问题:
(1)“煅烧”的目的是 .
(2)配制质量分数15%的盐酸需要200mL30%的浓盐酸(密度约为1.15g/cm3)和 g蒸馏水,配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、 .
(3)“溶解”过程中发生反应的离子方程式为 .
(4)加少量铝粉的主要作用是 .
(5)“调节溶液pH在4.2～4.5”的过程中,除添加必要的试剂,还需借助的实验用品是: ;“蒸发浓缩”需保持温度在90~100℃,控制温度的实验方法是.
解析:对比原料与产品可知,该生产的主要工序:一是除去原料高岭土中的杂质,二是将Al2O3利用水解絮凝法转化为产品.再进一步分析,除铁用铝置换后过滤,高岭土中的Al2O3不溶于酸,必须经煅烧改变结构.该题经这样分析,题设的所有问题的答案就在分析之中.
参考答案:(1)改变高岭土的结构,使其能溶于酸 (2)230 量筒
(3)Al2O3+6H+=2Al3++3H2O Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O
(4)除去溶液中的铁离子; (5)pH计(或精密pH试纸);水浴加热
简评:首尾分析法是一种解工艺流程题的常见方法,这种方法的特点是:简单、直观,很容易抓住解题的关键,用起来方便有效.使用这一方法解题,关键在于认真对比分析原材料与产品组成,从中产生的将原料转化为产品和除去原材料中所包含的杂质的基本原理和所采用的工艺生产措施.当把生产的主线弄清楚了,围绕生产主线所设计的系列问题,也就迎刃而解.
2.截段分析法
对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工艺流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点.
【例2】 (2007年,广东高考第21题)以氯化钠和硫酸钠为原料制备氯化铵及副产品硫酸钠,工艺流程如下:
氯化铵和硫酸钠的溶解度随温度变化如下图所示.回答下列问题.
(1)欲制备10.7gNH4Cl,理论上需NaCl g.
(2)实验室进行蒸发浓缩用到的主要仪器有 、烧杯,玻璃棒、酒精灯等.
(3)“冷却结晶”过程中,析出NH4Cl晶体的合适温度为 .
(4)不用其他试剂,检查NH4Cl产品是否纯净的方法及操作是 .
(5)若NH4Cl产品中含有硫酸钠杂质,进一步提纯产品的方法是 .
解析:该生产流程的特点是:用同样原材料既生产主要产品氯化铵,同时又生产副产品硫酸钠.因此,为了弄清整个生产流程工艺,只能分段分析,即先分析流程线路中如何将原料转化为硫酸钠的,然后再分析又如何从生产硫酸钠的母液中生产氯化铵,即将题供的流程路线截成两段分析,这样,便可以降低解题的难度.
结合流程示意图和溶解度曲线图分析,生产硫酸钠只能用热结晶法,生产氯化铵用冷结晶法,因为温度降到35℃以下,结晶得到的产品为Na2SO4•10H2O.
参考答案:(1)11.7g (2)蒸发皿 (3)35℃(或33~40℃之间任意值) (4)加热法.取少量氯化铵产品于试管底部,加热,若试管底部无残留物,表明氯化铵产品纯净 (5)重结晶.
简评:用截断分析法解工艺流程题是一种主流解题方法.因为当前的化工生产,为了降低成本,减少污染,增加效益,大都设计成综合利用原材料,生产多种产品的工艺生产线.为此这种工艺流程题很多.用截断分析法解工艺流程题关键在于选对属型和如何截段,截几段更合理.一般截段以生产的产品为准点.但也不一定,特殊情况也很多,必须具体情况作具体分析.
3.交叉分析法
有些化工生产选用多组原材料,事先合成一种或几种中间产品,再用这一中间产品与部分其他原材料生产所需的主流产品.以这种工艺生产方式设计的工艺流程题,为了便于分析掌握生产流程的原理,方便解题,最简单的方法,就是将提供的工艺流程示意图画分成几条生产流水线,上下交叉分析.
【例3】 某一化工厂的生产流程如下图:
(1)L、M的名称分别是_____ 、 .
(2)G→H过程中为什么通入过量空气: .
(3)用电子式表示J: .
(4)写出饱和食盐水、E、F生成J和K(此条件下K为沉淀)的化学方程式:_____ ,要实现该反应,你认为应该如何操作: .
解析:根据流程示意图分析可知,用空气、焦炭和水为原材料,最终生产产品L和J、M.首先必须生产中间产品E,这样,主要生产流水线至少有两条(液态空气-E-M;焦炭-E-L).为了弄清该化工生产的生产工艺,须将这两条生产流水线交叉综合分析,最终解答题设的有关问题.
参考答案:(1)硝酸铵;碳酸钠 (2)提高NO的转化率
(3)
(4)NH3+H2O+NaCl+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl 向饱和的食盐水中先通入足量的NH3,再通入足量的CO2
简评:从本题分析得知,构成交叉分析的题型,从提供的工艺流程上看,至少有三个因素(多组原材料、中间产品、多种产品)和两条或多条生产流水线的化工生产工艺.利用交叉分析法解工艺流程题的关键,在于找准中间产品(因为有时会出现多种中间产品)和流水生产的分线,在分析过程中,抓住中间物质的关联作用,逐一破解.
4.“瞻前顾后”分析法
有些化工生产,为了充分利用原料,变废为宝,设计的生产流水线除了主要考虑将原料转化为产品外,同时还要考虑将生产过程的副产品转化为原料的循环生产工艺.解答这种类型题时宜用“瞻前顾后”分析法.“瞻前顾后”分析法,指分析工艺生产流程时,主要考虑原料转化为产品的问题(瞻前),同时也要考虑原料的充分利用和再生产问题(顾后).
【例4】 利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下:
依据上述流程,完成下列填空:
(1)天然气脱硫时的化学方程式是__________.
(2)nmolCH4经一次转化后产生CO0.9nmol,产生H2 mol(用含n的代数式表示).
(3)K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行,加压的理论依据是 .
A.相似相容原理
B.勒夏特列原理
C.酸碱中和原理
(4)分析流程示意图回答:该合成氨工艺主要原料是 ,辅助原料有 .
(5)请写出由CH4为基本原料经四次转化为合成氨的N2、H2的化学反应方程式 .
(6)整个流程有三处循环,一是Fe(OH)3循环,二是K2CO3(aq)循环,请在上述流程图上标出第三处循环(循环方向和循环物质).
解析:该生产工艺属于多处循环生产工艺,因此分析工艺流程示意图时,分析的主线是弄清基本原材料CH4转化为合成氨的基本原料N2和H2的工艺生产原理.但还要回头分析循环生产的理由和循环生产的工艺生产段.通过这样既考虑产品的合成,又考虑原料的充分利用,该题所涉及的问题也就可以解答了.
参考答案:(1)3H2S+2Fe(OH)3=Fe2S3+6H2O
(2)2.7n (3)B (4)CH4、H2O、空气;K2CO3、Fe(OH)3
(5)CH4+H2O=CO+3H2;
2CH4+3O2=2CO+4H2O;
CO+H2O=CO2+H2;
CO2+H2O+K2CO3=2KHCO3
简评:用“瞻前顾后”分析循环工艺生产流程题,关键是如何找到循环生产点,即在什么情况下,什么生产阶段实施循环生产.判断循环生产点的方法,一是看反应是否为可逆反应,如果是可逆反应,要考虑原料的循环利用.如本题合成氨反应是可逆反应,分离氨后的尾气中还含有大量原料气N2和H2,千万不能随便排放,必须送入合成塔,实施循环生产.二是看副产品的分子组成与某种原料的组成中有无相同的元素,如果有,而且该副产品又容易转化为某种原料,就可以考虑循环生产工艺.
如本题的的循环生产;的循环生产.
(责任编辑:廖银燕)