化工生产流程中的除杂方法

成黎黎

(江苏省南通市海门实验学校)

化工流程题是高考化学必考题之一,结合元素化合物知识,考查化学反应速率、化学平衡、盐的水解、物质的分离与提纯等基本理论.化工生产大多是利用自然界中的矿石生产所需要的产品.天然矿石中含有杂质,生产过程中需要将这些杂质除去,除去杂质的过程成为化工流程题的考查方向.

1 根据化工原料的成分除杂

解答化工流程题,要明确矿石的主要成分和次要成分,需要掌握这些成分所属物质的类别,具有什么性质,能与哪些物质发生化学反应,在化工流程中发生了什么反应,最终到了哪里等知识点.

例1 纳米氧化镁是在磁性、催化方面有许多特异功能的新材料,具有重要价值.工业上以菱镁矿(主要成分为MgCO3,含少量FeCO3、CaCO3和SiO2杂质)为原料制备纳米氧化镁的工艺流程如图1所示.

图1

(1)在“焙烧”中,SiO2几乎不发生反应,MgCO3、FeCO3、CaCO3转化为相应的硫酸盐.写出FeCO3转化为NH4Fe(SO4)2的化学方程式:________.

(2)“滤渣Ⅰ”的成分是_________.

(3)已知在该条件下金属离子开始沉淀和完全沉淀时的pH 如表1所示.

表1

上述流程中所用“氧化剂”常为双氧水,这一步不可省掉的理由是_________.

(4)“试剂a”可能是_________;调节pH 的范围是_________.

分析 (1)FeCO3转化为NH4Fe(SO4)2,Fe元素化合价升高,被空气中的氧气氧化,“焙烧”时生成的主要气体有NH3、CO2,则化学方程式为

4FeCO3＋O2＋8(NH4)2SO4＝4NH4Fe(SO4)2＋12NH3↑＋4CO2↑＋6H2O.(2)CaSO4是微溶物,SiO2不溶于水,“滤渣Ⅰ”的成分是CaSO4、SiO2.(3)根据表格数据可知,Fe2＋未沉淀完全时,Mg2＋已开始沉淀,故上述流程中常用双氧水将Fe2＋氧化为Fe3＋,这一步不可省掉的理由是:防止Fe2＋未完全转化成Fe3＋,导致下一步Fe2＋和Mg2＋可能同时沉淀,后续难以分离产品.(4)试剂a可能是MgO(或MgCO3、Mg(OH)2、Mg2(OH)2CO3等);调节pH 使Fe3＋完全转化为Fe(OH)3沉淀时Mg2＋未开始沉淀,则调节pH 的范围是2.8≤pH＜8.9.

2 根据溶液的pH 除杂

化工流程中通常用调节溶液pH 的方法使杂质离子产生沉淀并除去.

例2 碳酸锶(SrCO3)难溶于水,主要用于电磁材料和金属冶炼.一种由工业碳酸锶(含少量Ba2＋、Ca2＋、Mg2＋、Pb2＋等)制备高纯碳酸锶的工艺流程如图2所示.

图2

已知:Ⅰ.Cr(OH)3为两性氢氧化物;

Ⅱ.常温下,各物质的溶度积常数如表2所示.

表2

回答下列问题:

(1)“沉钡、铅”时,pH 过低会导致(NH4)2CrO4的利用率降低,原因是_________(用离子方程式解释);“还原”时发生反应的离子方程式为________.

(2)“滤渣1”的主要成分为_________(填化学式).

(3)用氨水和NaOH 分步调节pH,而不是直接调节溶液的pH≈13的原因为_________.

(4)“调pH ≈13”后需对溶液进行煮沸并趁热过滤出滤渣2,煮沸并趁热过滤的原因是________.

分析 (1)(NH4)2CrO4溶液中存在平衡:2CrO2－4＋2H＋⇌Cr2O2－7＋H2O,pH 过低,H＋浓度过大,平衡正向移动,更多的CrO2－4转化为Cr2O2－7,导致(NH4)2CrO4的利用率降低;结合流程和分析来看,“还原”时草酸和Cr2O2－7发生氧化还原反应,离子方 程 式 为8H＋＋Cr2O2－7＋3H2C2O4＝2Cr3＋＋6CO2↑＋7H2O.(2)“滤渣1”的主要成分为Cr(OH)3.(3)Cr(OH)3是两性氢氧化物,pH 过大Cr(OH)3会溶解,故用氨水和NaOH 分步调节pH,而不是直接调节溶液的pH≈13,原因是pH 过高会使Cr(OH)3溶解,导致铬的去除率降低.(4)“调pH≈13”主要是使Mg2＋、Ca2＋沉淀,“调pH ≈13”后需对溶液进行煮沸并趁热过滤的原因是Ca(OH)2的溶解度随着温度的升高而降低,煮沸并趁热过滤有利于除尽溶液中的Ca2＋.

3 根据加入的沉淀剂除杂

解题过程中要理解化工流程题中加入的试剂所起的作用,有的是溶解原料,有的是与原料中的某种成分反应,还有的是沉淀原料中的杂质离子.

例3 CoC2O4是制备金属钴的原料,利用含钴废料(主要成分为Co2O3,含少量Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、碳及有机物等)制取CoC2O4的工艺流程如图3所示.已知:

图3

①Ksp(MgF2)＝7.42×10－11,Ksp(CaF2)＝1.46×10－10;②氧化性:Co2O3＞O2＞Cl2;

③部分金属离子沉淀的pH 如表3所示(开始沉淀的pH 按离子浓度为1.00mol·L－1计算).

表3_

离子浓度小于1.0×10－5mol·L－1时,认为该离子沉淀完全.

(1)“500 ℃焙烧”的目的是_________.

(2)“净化除杂1”过程中,先在40～50 ℃时加入H2O2,其作用是_________(用离子方程式表示);再升温至80～85 ℃,加入Na2CO3溶液,调pH 至4.5,“滤渣1”的主要成分是________.

(3)“净化除杂2”可将Mg2＋、Ca2＋沉淀除去,当c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1时,溶液中的Ca2＋是否沉淀完全:_______(填“是”或“否”).

分析 (1)500 ℃焙烧时,碳会变成CO2逸出,有机物会生成CO2和水,则“500 ℃焙烧”的目的是除去碳和有机物.(2)“钴浸出”过程中,Na2SO3将Co3＋、Fe3＋还原为Co2＋、Fe2＋,“净化除杂1”过程中,先在40～50 ℃加入H2O2,可将Fe2＋氧化成Fe3＋,发生的反应为H2O2＋2Fe2＋＋2H＋＝2Fe3＋＋2H2O.再升温至80～85 ℃,加入Na2CO3溶液,CO23－和Fe3＋发生双水解反应,Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀,则“滤渣1”的主要成分是Fe(OH)3.(3)当c(Mg2＋)＝1.0×10－5mol·L－1时,Ksp(MgF2)＝7.42×10－11,则