解译“流程图题”中的密码

2014-03-05陈进前

求学·理科版 2014年3期

陈进前，全国优秀教师，浙江省特级教师，浙江省有突出贡献中青年专家，浙江省首批化学奥林匹克竞赛特级教练，杭州市高中化学教研大组组长，杭州市、丽水市、义乌市等地“名师工程”导师。

流程图题（包括化工流程图题、实验流程图题）综合性强、能力要求高，是每年高考的保留题，主要用来考查学生用化学视角观察和分析生产、生活、实验等实际问题的能力，是后阶段复习中必须突破的重点之一。流程图题大多由题头、工艺流程图、题设问题等三部分构成，从解题角度看，解答流程图题的本质就是用化学视角解译试题中流程图中的各种信息，破译其中的化学密码。

一、解译题头中的信息

题头部分中往往包含着关于化工生产目的（或实验目的）、原料的化学成分、产品的化学成分、产品纯度要求等信息。有些试题中还会在题头中给出一些化学常数（如电离常数、溶度积常数、金属离子沉淀的pH控制范围）、新反应的条件、新反应的规律等补充信息。审题时，需要解题者用化学视角去寻找、收集、解译这些重要信息，将这些关键信息转化为解题的判断依据。

例1 （2013年新课标Ⅱ卷）氧化锌为白色粉末，可用于湿疹、癣等皮肤病的治疗。纯化工业级氧化锌[含有Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）等杂质]的流程如下：

提示：在本实验条件下，Ni（Ⅱ）不能被氧化，高锰酸钾的还原产物是MnO2。

回答下列问题：

（1）反应②中除掉的杂质离子是，发生反应的离子方程式为。在加高锰酸钾溶液前，若pH较低，对除杂的影响是。

（2）反应③的反应类型为，过滤得到的滤渣中，除了过量的锌外还有。

（3）反应④形成的沉淀要用水洗，检验沉淀是否洗涤干净的方法是。

（4）反应④中产物的成分可能是ZnCO3·xZn（OH）2。取干燥后的滤饼11.2 g，煅烧后可得到产品8.1 g，则x等于。

【简析】原料（工业氧化锌）中含有Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）等杂质，目的是制取高纯氧化锌，题给流程中Ni（Ⅱ）不能被氧化、高锰酸钾只能被还原为MnO2。由此可知题给流程图中一定有相应的操作步骤要除去这些杂质，再结合流程图作出下列分析和判断：

（1）反应①后所得浸出液主要成分是ZnSO4、MnSO4、NiSO4、FeSO4；

反应②应该是将Fe2+、Mn2+转化为沉淀而除去，可确定加入KMnO4发生的反应为：

MnO4-+3Fe2++7H2O=3Fe（OH）3↓+MnO2↓+

5H+

2MnO4-+3Mn2++2H2O=5MnO2↓+4H+

若是溶液pH较低时，加入KMnO4溶液中的Fe2+和Mn2+不能生成沉淀，无法除去含铁元素和锰元素的杂质。

（2）反应③的目的是通过Zn单质与Ni2+离子发生置换反应而除去Ni2+离子，得到滤渣中必定含有锌、镍等成分。

（3）反应④的目的是将Zn2+转化为沉淀（碳酸锌或碱式碳酸锌），原溶液中含有大量K+、SO42-等离子，所以可取少量最后流出的水洗液于试管中，滴入1～2滴稀硝酸，再滴入硝酸钡溶液，若无白色沉淀生成，则说明沉淀已经洗涤干净。

（4）用问题中所给信息可计算出x=1。

例2 为了回收利用SO2，有人研制了利用低品位软锰矿浆（主要成分是MnO2）吸收高温焙烧含硫废渣产生的SO2废气，制备硫酸锰晶体（MnSO4·H2O）的生产流程，其流程图如下所示。已知：浸出液的pH<2，其中的金属离子主要是Mn2+，还含有少量的Fe2+、Al3+等其他金属离子。

相关金属离子形成氢氧化物沉淀时溶液的pH见下表：

离子开始沉淀时的pH 完全沉淀时的pH

Fe2+ 7.6 9.7

Fe3+ 2.7 3.7

Al3+ 3.8 4.7

Mn2+ 8.3 9.8

（1）含Al3+的盐常用作净水剂，用离子方程式表示其净水原理。

（2）浸出过程中主要反应的化学方程式是。氧化过程中主要反应的离子方程式是，设计该环节的原因是。

（3）用石灰浆调节pH，应控制pH的范围是。滤渣的主要成分是。

【简析】该生产流程目的是“将废气中SO2转化为MnSO4·H2O”，原料是“SO2、MnO2”。由表格信息可知Fe3+、Al3+、Fe2+、Mn2+四种金属离子转化为氢氧化物沉淀的pH依次增大。

（1）铝盐作净水剂是由于Al3+水解：

Al3++3H2O Al（OH）3+3H+

（2）浸出过程中，实质上是SO2与软锰矿发生氧化还原反应，由于浸出液含有Fe2+、Al3+等其他金属离子，加MnO2时可跟Fe2+发生反应。反应式分别为：

SO2+MnO2=MnSO4

2Fe2++MnO2+4H+=2Fe3++Mn2++2H2O

由于Fe2+、Mn2+离子沉淀的pH较接近，为了减少Mn2+离子损耗需将Fe2+氧化为Fe3+，再控制溶液pH将Fe3+从混合溶液中除去。

（3）控制pH的目的是为了既能完全除去Fe3+、Al3+等，又不能使Mn2+变成沉淀，所以pH范围应在4.7≤pH<8.3。由于硫酸钙的微溶，所得滤渣中主要成分除了氢氧化铁、氢氧化铝外，还有硫酸钙。

二、解译流程图中的信息

题中给出的流程图是解题信息的密集区，与解题有关的信息可分成两类：第一是关于物质转化方面信息（反应条件、反应物、产物等）；第二是关于物质分离和提纯的操作步骤方面信息（操作方法、连接关系等）。解译流程图中信息密码时，要特别注意以下三点：

（1）根据题设问题情景转译流程图中的陌生术语。在流程图中常常会出现一些跟化工生产相关的专用术语（如熔炼、煅烧、酸溶、碱溶等），也会出现一些不常见的跟实验相关的名词（如浸取、滤饼等），因此，要联系问题情景将其转译，使之与已学知识联系起来。

（2）重视解读流程图中一些关键信息。如，“调pH”是常常出现的信息，至少要考虑以下几种因素：①pH是由低往高调（需要加碱性物质），还是由高往低调（需要加酸性物质）？②pH调到什么范围？③调pH的目的是除杂，还是生成某种产物？

（3）学会从多种途径判断化学反应。判断化学反应的关键是确定反应物、产物的化学式，流程图中会给出一些“碎片信息”，解题者要收集这些分散的“碎片信息”，整合加工后作出完整的判断。如：根据已知反应物的性质判断未知反应物及可能生成的产物；根据已知反应物及其产物来判断另一种反应物所表现的性质；根据反应条件判断反应产物等。

例3 （2013年安徽卷）二氧化铈CeO2是一种重要的稀土氧化物。平板电视显示屏生产过程中产生大量的废玻璃粉末（含SiO2、Fe2O3、CeO2以及其他少量可溶于稀酸的物质）。某课题组以此粉末为原料回收铈，设计实验流程如下：

（1）洗涤滤渣A的目的是为了除去

（填离子符号），检验该离子是否洗净的方法是

。

（2）第②步反应的离子方程式是，滤渣B的主要成分是。

（3）萃取是分离稀土元素的常用方法。已知化合物TBP作为萃取剂能将铈离子从水溶液中萃取出来，TBP （填“能”或“不能”）与水互溶。实验室进行萃取操作时用到的主要玻璃仪器有、烧杯、玻璃棒、量筒等。

（4）取上述流程中得到的Ce（OH）4产品0.536 g，加硫酸溶解后，用0.1000 mol·L-1 FeSO4标准溶液滴定至终点时（铈被还原为Ce3+），消耗25.00 mL标准溶液。该产品中Ce（OH）4的质量分数为。

【简析】沉淀洗涤（包括晶体洗涤）、萃取、滴定等化学基本实验问题构成了各个小题。

（1）观察流程图中信息可知滤渣表面可能吸附有Fe3+等杂质离子，所以洗涤滤渣A的目的是为了除去滤渣表面的Fe3+。要检验滤渣是否洗净，可以取最后流出的滤液作样品，加入KSCN溶液，若不出现红色，则已洗净；反之，则未洗净。

（2）观察流程图可发现，操作②后有Ce3+生成，说明H2O2是还原剂。滤渣B的主要成分是二氧化硅。反应的离子方程式为：

2CeO2+H2O2+6H+=2Ce3++O2↑+4H2O

（3）要从水溶液中萃取，萃取剂应该不溶于水。萃取、分液操作都要用到分液漏斗。

（4）根据化合价变化可发现，滴定时1 mol Ce（OH）4跟1 mol FeSO4完全反应。所以有：

n[Ce（OH）4]=n（FeSO4）=0.1000 mol/L×0.025 L=0.0025 mol

产品中Ce（OH）4的质量分数为：

0.0025 mol×208 g/mol÷0.536 g=0.97

例4 （据2010年福建卷改编）工业上常用菱锌矿生产硫酸锌，菱锌矿的主要成分是ZnCO3，并含少量的Fe2O3、FeCO3、MgO、CaO等，生产工艺流程示意如下：

（1）将菱锌矿研磨成粉的目的是。

（2）针铁矿（Goethite）是以德国诗人歌德（Goethe）名字命名的，组成元素是Fe、O和H，化学式量为89，化学式是。写出滤液1中调pH、加漂白粉后生成针铁矿的离子方程式

。

（3）根据下表数据，调节“滤液2”的pH时，理论上可选用的最大区间为。

Mg（OH）2 Zn（OH）2 MgCO3 CaCO3

开始沉淀的pH 10.4 6.4 — —

沉淀完全的pH 12.4 8.0 — —

开始溶解的pH — 10.5 — —

Ksp 5.6×10-12 — 6.8×10-6 2.8×10-9

（4）工业上从“滤液3”制取MgO过程中，合适的反应物是（选填序号）。

a.大理石粉 b.石灰乳

c.纯碱溶液 d.烧碱溶液

（5）“滤液4”之后的操作依次为蒸发浓缩、冷却结晶、、、。

（6）分析图中数据，菱锌矿粉中ZnCO3的质量分数不低于。

【简析】题给流程图中有三处要求调pH，滤液1中调pH的目的是要在含有Mg2+、Zn2+、Fe2+混合溶液中只除去铁元素，所以应加氧化剂将Fe2+离子转化为Fe3+，pH应控制在6.4以下。滤液2调pH的目的是要在含有Mg2+、Zn2+混合溶液中只生成 Zn（OH）2沉淀，所以pH是控制在8.0≤pH≤10.4。滤液3含有Mg2+、Ca2+离子，要制取Mg（OH）2需要加碱性较强的物质，所以应选石灰或烧碱。

对于（2）问，还要结合问题中信息（组成元素是Fe、O和H，化学式量为89）求出针铁矿的化学式，进而写出相关反应的离子方程式。

解答（6）问时，要注意流程图中有m1 kg菱锌矿、m2 kg ZnO、m3 kg ZnSO4·7H2O等三个数据，由于从“沉淀2滤液4”的过程中加过锌粉，所以m3 kg ZnSO4·7H2O是干扰数据，不能用于计算菱锌矿粉中ZnCO3 的质量分数。

【答案】（1）增大反应物接触面积或增大反应速率或使反应更充分

（2）FeO（OH）（或其他合理答案）

2Fe2++4OH-+ClO- =2FeO（OH）+Cl-+H2O

（3）8.0≤pH≤10.4（或其他合理答案）

（4）b d

（5）过滤，洗涤，干燥（或其他合理答案）

（6）125m2/81m1

从例1、例3、例4可发现，流程图类试题中常包含关于物质组成（求化学式）、质量分数（求产品或原料中某成分的含量）、滴定实验（浓度、化学方程式相关计算）等与化学实验相关的定量分析问题，所以在复习过程中要注意训练化学基本计算的能力。

三、解译题设问题中的信息

流程图题中设置的问题，可分成以下三类：①与试题中流程图无关，仅就已学知识，不需要题给信息就可回答；②问题项中没有附加信息，只要用题头、流程图中信息就可回答；③问题项中又给出附加信息，需要将题头、流程图、题设问题中三方面信息综合起来才能解答。

例5 下面是一种已获得专利的KNO3的制备方法的主要步骤：

（1）反应I中，CaSO4与NH4HCO3的物质的量之比为1∶2，该反应的化学方程式为。

（2）反应Ⅱ需在干态、加热的条件下进行，加热的目的是。从反应Ⅳ所得混合物中分离出CaSO4的方法是趁热过滤，趁热过滤的目的是。

（3）检验反应Ⅱ所得K2SO4中是否混有KCl的方法是：取少量K2SO4样品溶解于水，。

（4）整个流程中，可循环利用的物质除（NH4）2SO4外，还有（填化学式）。

【简析】本题（1）（2）（4）要将流程图中信息、所设问题中的信息结合起来才能获得答案，（3）直接利用所设问题中的信息就可解答。

（1）根据所设问题中信息可知反应I的反应物是CaSO4、NH4HCO3（1∶2），观察流程图又知产物CO2、CaCO3、（NH4）2SO4，进而可得出化学方程式为：

CaSO4+2NH4HCO3=CaCO3+（NH4）2SO4+H2O+CO2↑

（2）（NH4）2SO4、KCl晶体充分混合后相当于是（NH4）2SO4、KCl、NH4Cl、K2SO4四种物质的混合物，加热时NH4Cl易分解成为NH3、HCl气体，温度稍低时NH3、HCl易化合为NH4Cl，达到用“（NH4）2SO4、KCl晶体”作为原料制取NH4Cl、K2SO4晶体的目的。显然，若在水溶液中无法达到类似的效果。

反应IV是用K2SO4、Ca（NO3）2溶液作为原料，利用CaSO4微溶于水的性质制取KNO3晶体，由于KNO3的溶解度随温度降低减小幅度大，温度低时会析出较多KNO3晶体。

反应II中“加热”的目的是：加快NH4Cl分解速率，从（NH4）2SO4、KCl的混合物中制得NH4Cl、K2SO4。

反应IV中“趁热过滤”的目的是：防止结晶，减少KNO3的损耗。

（3）从“K2SO4中是否混有KCl”可确定实质是：在大量SO42-离子存在下检验少量Cl-离子。所以可用如下操作：加入Ba（NO3）2溶液至不再产生沉淀，静置，再取上层清液往其中滴加AgNO3溶液，若有沉淀生成，说明K2SO4中混有KCl。

（4）根据流程图就可确定，可循环的物质还有CaSO4和KNO3（母液中）。

例6 钇是一种稀土元素，是激光和超导的重要材料。它属于活泼金属，常见化合价为+3。我国蕴藏着丰富的钇矿石（Y2FeBe2Si2O10），用钇矿石为原料生产氧化钇的主要流程如下：

已知：①有关金属离子形成氢氧化物沉淀时的pH如下表：

开始沉淀时的pH 完全沉淀时的pH

Fe3+ 2.7 3.7

Y3+ 6.0 8.2

②在周期表中，铍、铝元素处于第二周期和第三周期的对角线位置，化学性质相似。

（1）钇矿石（Y2FeBe2Si2O10）的组成用氧化物的形式可表示为。