浅谈工艺流程题解法三攻略

2016-04-01山东

教学考试(高考化学) 2016年3期

关键词：合成氨硼酸流程图

山东孙晶

浅谈工艺流程题解法三攻略

山东孙晶

工艺流程题以其新颖多样的命题形式、囊括知识的多元化、知识紧扣工业实际的时效性一直活跃在高考舞台上，此类题型是历年高考命题的重点、热点，也是同学们心中的一个难点题型，下面从常用的解法技巧予以剖析，期望对同学们有所启迪。

1．首尾分析法

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】（2015新课标Ⅰ）硼及其化合物在工业上有许多用途。以铁硼矿（主要成分为Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，还有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等）为原料制备硼酸（H3BO3）的工艺流程如图所示：

回答下列问题：

（1）写出Mg2B2O5·H2O与硫酸反应的化学方程式：_________________。为提高浸出速率，除适当增加硫酸浓度外，还可采取的措施有_______________________________ _____________________________（写出两条）。

（2）利用_________的磁性，可将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是________（化学式）。

（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液，作用是__________ _________________。然后再调节溶液的pH约为5，目的是______________________________________________。

（4）“粗硼酸”中的主要杂质是________（填名称）。

（5）以硼酸为原料可制得硼氢化钠（NaBH4），它是有机合成中的重要还原剂，其电子式为________________。

（6）单质硼可用于生成具有优良抗冲击性能硼钢。以硼酸和金属镁为原料可制备单质硼，用化学方程式表示制备过程_________________。

【解析】（1）根据题给流程图，铁硼矿中的Mg2B2O5· H2O与硫酸反应的生成物必有H3BO3，根据元素守恒可判断出另一产物应为硫酸镁，故反应的化学方程式为：Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋2H3BO3。加快化学反应速率可以通过升高温度、增大反应物的接触面积（减小固体反应物颗粒的大小）等。

（2）Fe3O4具有磁性，可用磁铁吸引，从而将其从“浸渣”中分离。“浸渣”中还剩余的物质是未反应的SiO2及微溶的CaSO4。

（3）“净化除杂”需先加H2O2溶液的目的是将Fe2＋氧化为Fe3＋，然后再调节溶液的pH约为5，使Fe3＋和Al3＋生成Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀而除去。

（4）根据反应的化学方程式可知，粗硼酸中的主要杂质是反应过程中生成的硫酸镁。

【答案】（1）Mg2B2O5·H2O＋2H2SO42MgSO4＋2H3BO3提高反应温度、减小铁硼矿粉粒径（2）Fe3O4SiO2和CaSO4

（3）将Fe2＋氧化为Fe3＋使Fe3＋与Al3＋形成氢氧化物沉淀而除去

（4）（七水）硫酸镁

【解法点睛】首尾分析法在本题中的应用凸显得很到位，首先根据流程图的起始和终了过程可知Mg2B2O5· H2O与硫酸反应的生成物中一定有H3BO3，根据元素守恒可判断出另一产物应为硫酸镁，这一点在后面结尾处的流程图有所体现。

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】（2015安徽）硼氢化钠（NaBH4）在化工等领域具有重要的应用价值，某研究小组采用偏硼酸钠NaBO2为主要原料制备NaBH4，其流程如下：

已知：NaBH4常温下能与水反应，可溶于异丙酸（沸点：13℃）。

（1）在第①步反应加料之前，需要将反应器加热至100℃以上并通入氩气，该操作的目的是_____________，原料中的金属钠通常保存在___________中，实验室取用少量金属钠需要用到的实验用品有________，________，玻璃片和小刀等。

（2）请配平第①步反应的化学方程式：

（3）第②步分离采用的方法是______________________；第③步分离（NaBH4）并回收溶剂，采用的方法是________ ______________。

（4）NaBH4（s）与水（l）反应生成NaBO2（s）和氢气（g），在25℃，101kPa下，已知每消耗3．8克NaBH4（s）放热21．6kJ，该反应的热化学方程式是________________。

【解析】截段分析法是解答工艺流程题的常用方法之一。该法就是将一个复杂的流程题肢解成一个个小局部，

（2）根据氧化还原反应原理，得失电子总相同，可以配平此反应为NaBO2＋2SiO2＋4Na＋2H2NaBH4＋2Na2SiO3。

（3）从流程图中可以看出第②步分离的是固体和液体混合物，所以选用过滤的方法；第③步分离（NaBH4）并回收溶剂，只能先将溶剂蒸发再冷凝回收，即蒸馏的方法分离。

（4）根据物质的量计算，n（NaBH4）＝0．1mol，故热方程式为NaBH4（s）＋H2O（l）NaBO2（s）＋H2（g）ΔH＝－216kJ／mol。

【答案】（1）除去反应器中的水蒸气和空气，煤油，镊子、滤纸

（2）系数为：1、2、4、2

（3）过滤，蒸馏

（4）NaBH4（s）＋H2O（l）NaBO2（s）＋H2（g）

ΔH＝－216kJ／mol。

【解法点睛】用截断分析法解工艺流程题是一种主流解题方法，用该法解工艺流程题关键在于选对题型和如何截段。

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划分成几条生产流水线，上下交叉分析。

【例3】（2014天津，10）合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，其反应原理为N2（g）＋3H2（g）幑幐2NH3（g）ΔH＝－92．4kJ／mol。一种工业合成氨的简式流程图如下：从局部进行突破，继而全题得以解答。该种方法不但可以降低试题的难度，还可以提高得分率。

（1）首先结合题意单独分析第一个流程图，由于NaBH4常温下能与水反应，且Na比较活泼，加热到100度以上，充入氩气，是除去反应器中的水蒸气和空气，避免影响反应；少量金属钠保存在煤油里；取用钠时，用镊子夹取，滤纸吸干表面的煤油。

（1）天然气中的H2S杂质常用氨水吸收，产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式：______ __________________________________________________。

（2）步骤Ⅱ中制氢气的原理如下：

①CH4（g）＋H2O（gCO（g）＋3H2（g）

ΔH＝＋206．4kJ／mol

②CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）

ΔH＝－41．2kJ／mol

对于反应①，一定可以提高平衡体系中H2的百分含量，又能加快反应速率的措施是________。

a．升高温度 b．增大水蒸气浓度

c．加入催化剂 d．降低压强

利用反应②，将CO进一步转化，可提高H2的产量。若1mol CO和H2的混合气体（CO的体积分数为20%）与H2O反应，得到1．18mol CO、CO2和H2的混合气体，则CO的转化率为________。

（3）图（a）表示500℃、60．0MPa条件下，原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数：________。

（4）依据温度对合成氨反应的影响，在图（b）坐标系中，画出一定条件下的密闭容器内，从通入原料气开始，随温度不断升高，NH3物质的量变化的曲线示意图。

（5）上述流程图中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是（填序号）________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法：_______________________________ _____________________。

【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。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。

（1）由题意可知为空气中的O2将负二价硫氧化为硫单质，根据电子守恒将方程式配平即可。