回收、提纯类工艺流程题思路详解

李康　孙长超

化学工艺流程题取材于真实的化工生产，重点考查元素化学和实验原理相关知识在工业生产中的实际应用，要求考生解题时能从题干和流程图中提取有效证据进行推理，往往还涉及计算。该题型能很好地体现化学的实用性和创造性，落实新课标对学生学科素养和关键能力的考查，是高考的主流题型。

化学工艺流程题考查的元素化学和实验原理这两部分内容本身比较零散，考查知识的综合性很强，对于基础不扎实的学生而言尤为困扰。一般来说，流程题命题类型有以下两种：回收、提纯类工艺流程题和物质制备类工艺流程题。本期，笔者通过分段分析和答题技巧总结的方式，来解析回收、提纯类工艺流程题，帮助同学们抓住关键、准确答题。

【例】（2021·全国高考乙卷理综）磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表。

金属离子 Fe3+ Al3+ Mg2+ Ca2+

开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4

沉淀完全（c=1.0×10-5mol·L-1）的pH 3.2 4.7 11.1 13.8

回答下列问题：

（1）“焙烧”中，TiO2、SiO2几乎不发生反应，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3转化为相应的硫酸盐，写出Al2O3转化为NH4Al（SO4）2的化学方程式    。

（2）“水浸”后“滤液”的pH约为2.0，在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6，依次析出的金属离子是  。

（3）“母液①”中Mg2+浓度为     mol·L-1。

（4）“水浸渣”在160℃“酸溶”最适合的酸是 。“酸溶渣”的成分是            、  。

（5）“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热，TiO2+水解析出TiO2·xH2O沉淀，该反应的离子方程式是    。

（6）将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得_______，循环利用。

【答案】

（1）Al2O3+4（MH4）2SO4 2NH4Al（SO4）2+6NH3↑+3H2O↑

（2）Fe3+、Al3+、Mg2+

（3）1.0×10-6

（4）硫酸 SiO2 CaSO4

（5）TiO2++（x+1）H2O  TiO2·xH2O↓+2H+

（6）（NH4）2SO4

第一步，从题干中提取信息，明确化工流程“有什么”和“要什么”

“有什么”即待回收的原料中含有的物质，“要什么”即化工流程最终想要回收的物质，其往往是单质或化合物，根据题目信息进行确定。本题从题干可知是回收类化工流程，高钛炉渣中有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3等物质，最终要回收的是TiO2·xH2O、Al（OH）3、Mg（OH）2等物质。

第二步，确定要除的杂质元素“是什么”

“有什么”减去“要什么”，即化工流程中需要除去的元素，例如本题需要除去的元素是钙、铁和硅。常见元素的除去方法，同学们在做化工流程题时要注重积累记忆，多数是固定的，例如：钙元素是钙离子结合硫酸根或者氟离子变成沉淀过滤除去;铁元素是含铁物质→酸浸成Fe2+、Fe3+ 混合液→加氧化剂变成Fe3+→调节pH生成沉淀过滤除去;硅元素是硅酸盐加酸变成硅酸沉淀除去（大多数是SiO2经酸浸后过滤除去）;铝元素是含铝物质→酸浸成Al3+→通氨气生成沉淀，或者含铝物质→碱浸成AlO2-→通CO2生成沉淀过滤除去。熟记之后，同学们自己在脑海中就能构建出简单化工除杂流程的模型，然后再结合题干流程对比分析，整个流程就完全梳理出来了。

第三步，确定要除的杂质元素后“如何除”

本步是化工流程的解题关键和难点，推导时可以将流程拆分成三段进行分析（原料预处理→除杂分离→产品收集）。

原料预处理：原料最初一般会进行酸浸（除去不溶于酸的物质，例如SiO2）、碱浸（除去不溶于碱的物质，例如多数金属氧化物，并溶解SiO2和两性氧化物）、水浸（与水反应或溶解）、灼烧（去除固体表面油污或氧化分解）、粉碎（增大接触面积，提高浸取率）等预处理，对原料进行初步处理。

除杂分离：核心思想是将杂质元素变成沉淀、气体或者滤液除去。调节pH、加沉淀剂、加热、降温、萃取是最常见的除杂方法，相关典型例子同学们要进行记忆理解。

① 焙烧：阅读题目第一问即可获取信息。

② 水浸：考查学生对物质溶解性表和常见物质溶解性的记忆。TiO2、SiO2不溶于水，微溶的CaSO4部分溶于水，Fe2（SO4）3、MgSO4和NH4Al（SO4）2溶于水，过滤得到含有TiO2、SiO2、CaSO4的水浸渣和含有Fe2（SO4）3、MgSO4、NH4Al（SO4）2和CaSO4的滤液。

③ 分步沉淀：即加沉淀剂，然后经过滤固液分离达到除杂目的。含有Fe2（SO4）3、MgSO4、NH4Al（SO4）2和CaSO4的滤液加入氨水，依据表格信息可知铁离子、铝离子和镁离子依次沉淀;过程中往往會夹带溶度积相关计算，离子完全沉淀的条件是解题关键，例如本题由镁离子完全沉淀（c=1×10-5 mol·L-1）时，溶液pH为11.1可知，氢氧化镁的溶度积为1×10-5×（1×10-2.9）2=1×10—10.8;当溶液pH为11.6时，溶液中镁离子的浓度为=1×10-6 mol·L-1。

④ 酸溶：酸溶考查的是元素化合物的知识，同学们只要熟练掌握化学方程式，弄清发生的反应即可。有的同学还容易忽略一个细节，即物质除杂过程中不能引入新的杂质。

⑤ 水解：考查重点一般为改变温度影响物质溶解性或水解生成沉淀。

产品收集：产品收集的方法很常见，虽然各类资料整理归纳很多，但是有的同学只是知道概念但没有理解透彻，导致回答时感觉好像知道答案却频频出错。笔者建议同学们弄清以下几个问题，对答题会有所帮助。

①冷水洗、热水洗、无水酒精洗有何区别？

②蒸发浓缩、冷却结晶和蒸发结晶、趁热过滤有何区别？

③重结晶和结晶有何区别？

第四步，回归题目，细化答题

按照前三步的思路进行分析，同学们就能透彻地理解化工流程并解决相关问题。试题中往往会插入一些和流程分析无关的其他考点，例如实验仪器、实验安全、离子检验、反应速率、公式计算等，只要同学们基础扎实，平时多积累，考试时依据已学知识即可顺利解答。

回收、提纯类工艺流程题以节约资源、可持续发展为思想，情境往往是从矿石、废料废渣、废液中回收所需物质，核心是研究对混合物的除杂、分离、提纯，同时渗透元素化学相关知识和对数据分析、计算能力的考查，能充分检验学生理论知识和搜集分析信息能力。此类题型要求同学们做好以下两方面准备：①掌握元素化学物相关知识和氧化还原方程式的书写方法;②掌握实验操作相关知识，注重各项操作的细节。