工艺流程和实验综合中的洗涤问题归纳总结

2023-08-02尉言勋

广东教育·高中 2023年7期

尉言勋

洗涤问题是工艺流程题和实验综合题中的高频考点，要解决好此类问题，我们需要思考以下四个问题，洗涤的目的是什么？如何选择洗涤剂？怎么洗涤？怎样证明是否洗涤干净？针对这四个问题，老师可以引导学生追根寻源和归纳总结。

一、知识归纳

1.洗涤的目的

洗涤的目的一般都是为了使产品纯度更高且不损耗产品。若产品为固体，洗涤沉淀的目的是除去固体表面的可溶性杂质，得到更纯净的产品；若产品为液体，洗涤的目的是通过洗涤过滤所得残渣，把将吸附在固体表面的产品尽可能洗出来，使其脱离固体表面，防止溶液中的产品损耗，进而提高产品产率。若滤渣表面有对环境有害的物质，如重金属离子CN－，则通过对残渣洗涤，可以除去有害物质，防止污染环境。

2.洗涤剂的选择

选择合适的洗涤剂是洗涤操作的关键，高中阶段常用的洗涤剂主要有：冰水、热水、饱和溶液、有机溶剂（無水乙醇）等。

（1）相似相溶的经验规则

相似相溶原理是指由于极性分子之间的电性作用，使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂，非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂。若溶质与溶剂极性相似，则溶质溶解度较大；若溶质与溶剂极性相差较大，则溶质溶解度较小。比如：强极性物质HCl（共价化合物）、KF（离子化合物）在强极性溶剂（水）中溶解度大，而在弱极性的有机溶剂（如苯、丙酮、四氯化碳）中溶解度较小；弱极性的物质卤素单质、大部分有机物在水中溶解度较小，而在有机溶剂中溶解度较大。

从微观结构角度，结合相似相溶原理有利于理解物质的物理、化学特性。比如：必修一中学习氨气的物理性质时，氨气极易溶于水（体积比1：700），原因是什么呢？我们可以从结构的角度解释，因为氨气和水均为极性分子，根据相似相溶原理，极性分子易溶于极性分子。低级（含碳个数少）醇、羧酸的极性大，在水中溶解度大，高级（碳原子数多）醇、羧酸的极性变弱，在水中溶解度变小。

（2）分子极性与分子结构

①根据化学键极性的向量和是否等于零。

a.只含非极性键的分子一定是非极性分子。

b.含有极性键的多原子分子，如果分子中各个键的极性的向量和等于零（空间对称），则为非极性分子，如CO 2、BF 3、CH 4等；否则为极性分子（空间不对称），如HCN、H 2O、NH 3、CH 3Cl等。

②判断AB n型分子极性的经验规律

a.若中心原子A的化合价的绝对值等于该元素所在的主族序数，则为非极性分子；若不等，则为极性分子。

b.若中心原子A有孤电子对，则为极性分子。如NH 3、PH 3均有1对孤对电子，可推测NH 3、PH 3均为极性分子；若中心原子A无孤电子对，则为非极性分子，如CH 4、SiCl 4均无孤对电子，可推测CH 4、SiCl 4均为非极性分子。

【规律方法】分子极性判断的方法

（3）洗涤剂的选择依据

根据溶质、溶剂的极性特点，选择恰当的洗涤剂。①若产品是强极性物质，则选择弱极性的溶剂清洗，如：实验室利用Fe（OH） 3、H 2C 2O 4和K 2C 2O 4制备三草酸合铁（Ⅲ）酸钾，K 3[Fe（C 2O 4） 3]·3H 2O属于极性物质，易溶于水，难溶于弱极性的有机溶剂，则用无水酒精洗涤晶体表面，可除去杂质水分，并能够减小溶解的损失。②若产品是弱极性物质，此时可以选择强极性的溶剂清洗，如：实验室以环己醇为原料制取己二酸，杂质主要为无机物，己二酸极性较弱，微溶于冷水，易溶于热水和乙醇，则可选择冷水洗涤晶体表面杂质，不能用热水、乙醇等洗涤。

（4）常用的洗涤剂

①蒸馏水：主要适用于产物不溶于水，通过洗涤除去沉淀吸附的可溶性杂质。

②冷水：除去沉淀的可溶性杂质，降低沉淀在水中的溶解度而减少沉淀损失。

③饱和溶液：a.减小沉淀的溶解损失，如AgCl的沉淀溶解平衡为AgCl（s）

Ag+（aq）+Cl-（aq），增大c（Cl-）可使平衡逆向移动，所以用NaCl溶液代替蒸馏水洗涤AgCl沉淀，可以减少沉淀损失；b.气体的除杂，如SO 2中混有HCl，可通入饱和的NaHSO 3溶液，除去混有的HCl气体，再通过浓硫酸除去水蒸气。

④有机溶剂（酒精、丙酮等）：适用于易溶于水的固体，能溶解一些不溶于水的物质（如油脂、蜡、树脂、橡胶、染料等），既减少了固体溶解，又利用有机溶剂的挥发性，除去固体表面的水分，在溶解过程中，溶质与溶剂的性质均无改变，且产品易干燥。

3.洗涤方式

洗涤固液两相的操作是先过滤再洗涤，洗涤方式有常压洗涤和减压洗涤。

【答题模板】注洗涤液（沿玻璃棒向漏斗中注入洗涤液） →浸没（使洗涤液完全浸没沉淀或晶体） →重复（待洗涤液流尽后，重复操作2～3次）。

常压洗涤的方式：向过滤器（漏斗）中加入洗涤剂（如蒸馏水），浸没沉淀，静止待水自然留下后，再重复操作２～３次。抽滤洗涤的方式：在洗涤沉淀时，应关小水龙头，使洗涤剂缓缓通过沉淀物，防止沉淀溶解而造成损失。另外，还要注意抽滤不适用于过滤胶体沉淀或颗粒太小的沉淀，因为胶体沉淀在快速过滤时易透过滤纸，沉淀颗粒太小容易在滤纸上形成一层密实沉淀，使溶液不易透过。

4.洗涤效果

如果可溶性杂质的水溶液有颜色，可以通过直接观察最后一次洗涤液是否有颜色进行判断，如果无色，说明已经洗涤干净，反之，则没有洗涤干净；对于含Na＋、K＋的可溶性杂质可以通过焰色反应来鉴别，从而判断是否洗涤干净；对于用物理方法无法判断的，可以通过化学方法来判断。一般叙述步骤如下图所示：

可先分析洗涤液中的“特征离子”，再找相应的特征试剂检验。题目中经常考查SO2－ 4和Cl－的检验，如2021全国乙卷（5）步骤Ⅳ中，洗涤是否完成，可通过检测洗出液中是否存在SO2－ 4来判断。检测的方法是取少量洗出液于试管中，加入盐酸酸化的BaCl 2溶液，若无白色沉淀生成，则已经洗涤干净。

二、典例解析

1.工艺流程题中的考查

【例1】（2023·广东惠州·三模节选）目前新能源技术被不断利用，高铁电池技术就是科研机构着力研究的一个方向。

（2）工业上常采用NaClO氧化法生产高铁酸钾（K 2FeO 4），K 2FeO 4在碱性环境中稳定，在中性和酸性条件下不稳定。反应原理为：

Ⅰ.在碱性条件下，利用NaClO氧化Fe（NO 3） 3制得Na 2FeO 4：3NaClO+2Fe（NO 3） 3+10NaOH=2Na 2FeO 4+3NaCl+6NaNO 3+5H 2O

Ⅱ．Na 2FeO 4与KOH反应生成K 2FeO 4，主要的生产流程如下：

④“提纯”K 2FeO 4中采用重结晶、洗涤、低温烘干的方法，则洗涤剂最好选用溶液。

A．H 2O

B．CH 3COONa、异丙醇

C．NH 4Cl、异丙醇

D．Fe（NO 3） 3、异丙醇

【解析】 ④K 2FeO 4在水溶液中易发生反应：4FeO2－ 4+10H 2O═4Fe（OH） 3+8OH-+3O 2↑，所以应选用碱性非水溶剂，CH 3COONa显碱性

，抑制水解，异丙醇易挥发，所以B选项正确。

【答案】 B

【例2】（2023·广东广州一模节选）铋的化合物在电催化和光催化领域都有广泛应用。一种从含铋矿渣（主要成分是CuBi 2O 4、CuO、Fe 2O 3、Al 2O 3、SiO 2等）中提取高纯Bi 2S 3的工艺如下：

已知：

①乙酰胺（CH 3CONH 2）有臭味、有毒，熔点为82 .3℃，沸点为221℃，可溶于水。

②常温下，K sp Bi OH 3 =4 .0×10－31，BiOCl+H 2OBi3++2OH－+Cl－ K=1 .6×10－31。

③该工艺条件下，相关金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：

回答下列问题：

（3）“洗涤”时先用水洗，再用稀硫酸洗涤。用稀硫酸洗涤的目的是为了除去滤饼中的（填化学式）杂质。

【解析】（3）加入NaOH溶液，调节pH=2 .5，滤饼中含有BiOCl和Fe（OH） 3，用稀硫酸洗涤的目的是为了除去滤饼中的Fe（OH） 3。

【答案】（3） Fe（OH） 3

2.实验综合题中的考查

【例3】（2022·重庆高考解析）研究小组以无水甲苯为溶剂，PCl 5（易水解）和NaN 3为反应物制备米球状红磷。该红磷可提高钠离子电池的性能。

（2）纳米球状红磷的制备装置如图2所示（搅拌和加热装置略）。

①在Ar气保护下，反应物在A装置中混匀后转入B装置，于280℃加熱12小时，反应物完全反应。其化学反应方程式为。用Ar气赶走空气的目的是。

②经冷却、离心分离和洗涤得到产品，洗涤时先后使用乙醇和水，依次洗去的物质是和。

【解析】（2）①根据题意可知，反应物为PCl 5和NaN 3，产物为P，根据化合价的变化规律可知化学方程式为2PCl 5+10NaN 3＝2P+15N 2↑+10NaCl；由于PCl 5易水解，故用Ar赶走空气的目的是防止PCl 5遇空气中的水蒸气而发生水解；②根据反应可知，得到的产物上沾有甲苯和NaCl，所以用乙醇洗去甲苯，用水洗去NaCl。

【答案】（2）①2PCl 5+10NaN 3＝2P+15N 2↑+10NaCl；防止PCl 5遇空气中的水蒸气而发生水解；②甲苯；NaCl。

【例4】（2023·安徽芜湖·高三统考节选）六氨合氯化镁（MgCl 2 ·6NH 3）具有极好的可逆吸、放氨特性，是一种优良的储氨材料。某研究小组以MgCl 2 ·6NH 3为原料在实验室制备MgCl 2 ·6NH 3，并测定所得产品中氨的含量。

I．制备MgCl 2 ·6NH 3

i．首先制备无水MgCl 2，实验装置如图（加热及夹持装置略去）：

已知：SOCl 2熔点-105℃、沸点76℃；遇水剧烈水解生成两种酸性气体。

ii．制备MgCl 2·6NH 3

将NH 3通入无水MgCl 2的乙醇溶液中，充分反应后，过滤、洗涤并自然风干，制得粗品。相关物质的性质如表：

（4）生成MgCl 2 ·6NH 3的反应需在冰水浴中进行，其原因为。

（5）洗涤产品时，应选择的洗涤剂为（填选项标号）。

A．冰浓氨水

B．乙二醇和水的混合液

C．氨气饱和的甲醇溶液

D．氨气饱和的乙二醇溶液

【解析】（4）因为反应物NH 3为易溶水气体，同时溶水后也易挥发，在冰水浴中进行反应可减少氨气的挥发；另外产物MgCl 2 ·6NH 3易溶于水，温度低时也有利于其析出晶体；

（5）由表中数据可知，MgCl 2 ·6NH 3在甲醇和乙二醇中均难溶，但乙二醇的沸点较高，不易挥发，洗涤后在晶体表面有残留，因此应选甲醇洗涤，同时为防止洗涤过程中产物分解导致损失，应在甲醇溶液中通入氨气减少MgCl 2 ·6NH 3损失，因此洗涤液用C。

【答案】（4）减少NH 3的挥发；降低MgCl 2 ·6NH 3溶解度，有利于其结晶析出；（5）C。

【跟踪练习】

1.（2023·重庆模拟）一维结构氧化钇（Y 2O 3）在光学和陶瓷等领域有重要用途。研究小组制备该Y 2O 3的实验过程如图所示。

（3）洗涤时，先用蒸馏水后用乙醇的目的是。

【解析】（3）乙醇可以和水互溶，先用蒸馏水洗涤后留下的水分，可以通过酒精洗涤去除；

【答案】（3）先用蒸馏水洗涤后留下的水分，可以通过酒精洗涤去除。

2．（2023·河北邯郸一模）氯化亚铜（化学式可表示为CuCl）常用作有机合成工业中的催化剂，微溶于水、不溶于乙醇，在潮湿空气中易水解、易被氧化。某学习小组用工业废渣（主要成分为Cu 2S和Fe 2O 3）制取CuCl并同时得到电路板蚀刻液，实验步骤如图：

已知：

根据以上信息回答下列问题：

（3）①向Na 2SO 3溶液中逐滴加入CuCl 2溶液，再加入少量浓盐酸，混匀后倾倒出清液，抽滤、洗涤、干燥获得CuCl产品，该反应的离子方程式为。

②抽滤也称减压过滤，请选择合适的仪器并组装抽滤的装置从溶液中得到CuCl产品，装置连接顺序为 → →E→ （填标号）。

下列有关抽滤的说法错误的是（填标号）。

A．原理为利用抽气泵使抽滤瓶中的压强降低，以达到固液分离的目的

B．过滤速度快，可得到较干燥的沉淀

C．实验结束后，先关抽气泵，后拔开抽滤瓶接管

③抽滤过程中先用“去氧水”作洗涤剂洗涤产品，然后立即用无水酒精洗涤，并在70℃真空下干燥2h，冷却后密封包装，密封包装的原因是。

【解析】（3）①由流程信息可知，制备氯化亚铜的反应为CuCl 2溶液与Na 2SO 3溶液、浓HCl反应生成CuCl沉淀，反应的离子方程式为2Cu2++SO2－ 3+2Cl﹣+H 2O＝2CuCl↓+SO2－ 4+2H+；②抽滤所需装置的连接顺序为布氏漏斗→抽滤瓶→安全瓶→抽气泵；A．抽滤原理为利用抽气泵使抽滤瓶中的压强降低，以达到固液分离的目的，故A正確；B．抽滤可加速过滤，并使沉淀抽吸得较干燥，故B正确；C．实验结束后，应先断开抽气泵和吸滤瓶之间的橡皮管，以防倒吸，故C错误；③由题给信息可知，CuCl在潮湿空气中易水解、易被氧化，所以为防止CuCl在潮湿空气中水解、被氧化，CuCl应密封包装。

【答案】（3）①2Cu2++SO2－ 3+2Cl﹣+H 2O＝2CuCl↓+SO2－ 4+2H+；②A、C、F；C；③防止CuCl在潮湿空气中水解、被氧化；

3.（2021·辽宁高考节选）Fe/Fe 3O 4磁性材料在很多领域具有应用前景，其制备过程如下（各步均在N 2氛围中进行）：

①称取9 .95g FeCl 2·4H 2O（M r=199），配成50mL溶液，转移至恒压滴液漏斗中。

②向三颈烧瓶中加入100mL 14 mol·L-1 KOH溶液。

③持续磁力搅拌，将FeCl 2溶液以2mL·min-1的速度全部滴入三颈烧瓶中，100℃下回流3h。

④冷却后过滤，依次用热水和乙醇洗涤所得黑色沉淀，在40℃干燥。⑤管式炉内焙烧2h，得产品3.24g。

部分装置如图：

回答下列问题：

步骤④中判断沉淀是否已经用水洗涤干净，应选择的试剂为；使用乙醇洗涤的目的是。

【解析】因为反应后溶液中有氯离子，所以在步骤④中判断沉淀是否已经用水洗涤干净，需取最后一次洗涤液，加入稀硝酸酸化后，再加入硝酸银溶液，若无白色沉淀生成，则证明已洗涤干净；乙醇易溶于水，易挥发，所以最后使用乙醇洗涤的目的是除去晶体表面水分，便于快速干燥。

【答案】稀硝酸和硝酸银溶液除去晶体表面水分，便于快速干燥。

4.（2020·新课标Ⅲ节选）氯可形成多种含氧酸盐，广泛应用于杀菌、消毒及化工领域。实验室中利用下图装置（部分装置省略）制备KClO 3和NaClO，探究其氧化还原性质。