備戰(zhàn)2022年高考化學－工藝流程專項復習系列

專題2－原理的預處理

預處理的目的是使原料中待提取元素的狀態(tài)，由難浸出的化合物或單質(zhì)轉(zhuǎn)變成易浸出的化合物

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一．對原料進行預處理時常用方法及其作用

1．研磨、粉碎、霧化：將塊狀或粒狀的物質(zhì)磨成粉末或?qū)⒁后w分散成微小液滴，增大反應物間接觸面積（作用），以加快后續(xù)操作反應速率（作用），進而增大原料的轉(zhuǎn)化率或浸取率（目的）。

【習題】鈷酸鋰（LiCoO2）電池是一種應用廣泛的新型電源，電池中含有少量的鋁、鐵、碳等單質(zhì)。實驗室嘗試對廢舊鈷酸鋰電池回收再利用。實驗過程如下：

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廢舊電池初步處理為粉末狀的目的是_______________________________________。

【答案】增大接觸面積，加快反應速率，提高浸出率

【解析】廢舊電池初步處理為粉末狀的目的是：增大接觸面積，加快反應速率，提高浸出率。

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【習題】連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)是印染工業(yè)的一種常用原料，連二亞硫酸鈉又稱保險粉，可溶于水，但不溶于甲醇，其固體受熱、遇水都會發(fā)生反應放出大量的熱，甚至引起燃燒，工業(yè)制備流程如下：

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向液鋅中鼓入M氣體，使液態(tài)鋅霧化，目的是____________________________。

【答案】增大鋅反應的表面積，加快化學反應速率

【解析】向液鋅中鼓入M氣體，使液態(tài)鋅霧化，目的是減小鋅的顆粒，使單質(zhì)鋅的表面積增大，以增大其與反應物的接觸面積，加快反應速率。

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【習題】粉煤灰是燃煤電廠的廢渣，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和C等。實驗室模擬工業(yè)從粉煤灰提取活性Al2O3，其流程如圖：

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已知燒結(jié)過程的產(chǎn)物主要是：NaAlO2、Ca2SiO4、NaFeO2和Na2SiO3等。

操作a為冷卻、研磨，其中研磨的目的是__________________________。

【答案】提高燒結(jié)產(chǎn)物浸出率 ??

【解析】操作a為冷卻、研磨，其中研磨的目的是增大反應物的接觸面積，提高燒結(jié)產(chǎn)物浸出率。

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2．焙燒：反應物與空氣、氯氣等氧化性氣體或其他添加進去的物質(zhì)（如硫酸）發(fā)生化學反應（所以焙燒分為氧化焙燒、硫酸化焙燒和氯化焙燒等）。以氣固反應為主，為避免物質(zhì)融化反應溫度一般低于熔點，在500～1500℃之間。使用專門的化工裝置如沸騰爐、焙燒爐等。

原料在空氣中灼燒，焙燒的目的主要有兩點: 一為非金屬元素被氧化為高價氣態(tài)氧化物逸出或氧化成高價態(tài)化合物; 二為金屬元素被氧化為高價態(tài)氧化物或高價態(tài)化合物。高考題在預處理階段的設問角度往往從粉碎與化學反應速率的關(guān)系、焙燒中的化學反應等入手。

工業(yè)上可以通過增加氧氣的量、固體充分粉碎、逆流焙燒、適當升溫等來提高焙燒效率。

【2021山東高考17】工業(yè)上以鉻鐵礦(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等雜質(zhì))為主要原料制備紅礬鈉(Na2Cr2O7?2H2O)的工藝流程如圖?；卮鹣铝袉栴}：

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焙燒的目的是將FeCr2O4轉(zhuǎn)化為Na2Cr2O4并將Al、Si氧化物轉(zhuǎn)化為可溶性鈉鹽，焙燒時氣體與礦料逆流而行，目的是______________________________________________________。

【答案】增大反應物接觸面積，提高化學反應速率，提高反應物轉(zhuǎn)化率。

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【習題】氯化銨焙燒菱錳礦制備高純度碳酸錳的工藝流程如下：

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已知：①菱錳礦石主要成分是，還含有少量Fe、Al、Ca、Mg等元素；

回答下列問題：

（1）“焙燒”時發(fā)生的主要化學反應方程式為_____________________。

（2）分析下列圖1、圖2、圖3，氯化銨焙燒菱鎂礦的最佳條件是：

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焙燒溫度_________，氯化銨與菱鎂礦粉的質(zhì)量之比為__________，焙燒時間為___________.

【答案】（1）MnCO3+2NH4Cl△(===)MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O ???（2）500℃ ???1.10 ???60min ???

【解析】（1）“焙燒”時發(fā)生的主要化學反應方程式為：MnCO3+2NH4Cl△(===)MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O；

（2）根據(jù)圖示錳浸出率比較高，焙燒菱鎂礦的最佳條件是：焙燒溫度500℃；氯化銨與菱鎂礦粉的質(zhì)量比為1.10；焙燒時間為60min。

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【習題】以高硫鋁土礦(主要成分為Al2O3、Fe2O3、少量FeS2和金屬硫酸鹽)為原料，生產(chǎn)氧化鋁并獲得Fe3O4的部分工藝流程如圖所示。

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（1）焙燒過程均會產(chǎn)生SO2，用NaOH溶液吸收過量SO2的離子方程式為_____________________。

（2）添加1%和不添加的礦粉焙燒，其硫去除率隨溫度變化曲線如圖所示。

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已知：多數(shù)金屬硫酸鹽的分解溫度都高于；

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①不添加CaO的礦粉在低于500℃焙燒時，去除的硫元素主要來源于____________(填化學式)。

②700℃焙燒時，添加1%CaO的礦粉硫去除率比不添加CaO的礦粉硫去除率低，其主要原因是_________________________。

【答案】（1）???（2）FeS2????（3）硫元素轉(zhuǎn)化為CaSO4而留在礦粉中 ???

【解析】（1）二氧化硫是酸性氧化物，少量二氧化硫與NaOH溶液反應可生成Na2SO3，過量二氧化硫與NaOH溶液反應可生成NaHSO3，離子方程式為。

（2）①高硫鋁土礦的成分中含F(xiàn)eS2和金屬硫酸鹽，而已知多數(shù)金屬硫酸鹽的分解溫度都高于，如果不添加CaO的礦粉在低于500℃焙燒，則去除的硫元素主要來源為FeS2，具體的反應原理為。

②添加的CaO吸收生成，易被空氣中的氧氣氧化為，根據(jù)“多數(shù)金屬硫酸鹽的分解溫度都高于”，可知時可能未分解或未完全分解而留在礦粉中，從而導致添加1%的礦粉硫去除率比不添加的礦粉硫去除率低，故答案為硫元素轉(zhuǎn)化為而留在礦粉中。

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3．煅燒：反應物受熱分解或發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變，為避免融化溫度低于熔點，但大多高于1200℃。如煅燒石灰石、生產(chǎn)玻璃、打鐵等，使用的化工設備如回轉(zhuǎn)窯。

【習題】以白云石（主要成分為CaCO3和MgCO3）為原料制備氧化鎂和輕質(zhì)碳酸鈣的一種工藝流程如下：

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（1）白云石高溫煅燒所得固體產(chǎn)物的主要成分為_________________________（填化學式）。

（2）煅燒所得固體的活性與其中CaO含量及固體疏松程度有關(guān)。其他條件相同時，將不同溫度下的煅燒所得固體樣品加入酸化的酚酞溶液中，引起溶液變色所需時間不同，由此可知煅燒所得固體的活性差異。溶液變色的時間與各樣品煅燒溫度的關(guān)系如圖所示。當溫度高于950 ℃時，煅燒所得固體易板結(jié)，活性降低；當溫度低于950 ℃時，活性降低的原因為_________________。將不同溫度下的煅燒所得固體樣品加入水中，也可測量其活性，則此時需測量的數(shù)據(jù)為相同時間后_________與樣品煅燒溫度之間的關(guān)系。

【答案】（1）CaO、MgO ???（2）煅燒溫度較低，CaCO3未完全分解，CaO的含量偏低 ???溫度 ???

【解析】（1）高溫煅燒白云石得到CaO和MgO；

（2）煅燒溫度較低，CaCO3未完全分解，CaO的含量偏低，所以活性降低；氧化鈣和水反應放熱，氧化鈣含量越高與樣品與水反應放出的熱量越多，所以也可將不同溫度下的煅燒所得固體樣品加入水中，測量的相同時間后反應液的溫度與樣品煅燒溫度之間的關(guān)系，來判斷樣品的活性。

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4．灼燒：物質(zhì)在高溫條件下發(fā)生脫水、分解、揮發(fā)等化學變化的過程。反應溫度在1000℃左右，使用的儀器比較多樣如煤氣燈、電爐等。灼燒海帶、顏色反應、焰色試驗、灼燒失重、灼燒殘渣等。

【習題】碳、硫的含量影響鋼鐵性能。某興趣小組用如下流程對鋼樣進行探究。

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（1）鋼樣中硫元素以FeS形式存在，F(xiàn)eS在足量氧氣中灼燒，生成的固體產(chǎn)物中Fe、O兩種元素的質(zhì)量比為21：8，則該固體產(chǎn)物的化學式為_____________。

（2）檢驗鋼樣灼燒生成氣體中的CO2，需要的試劑是____________ (填字母）。

a.酸性KMnO4溶液 ??b.澄清石灰水 ??c.飽和小蘇打溶液 ??????d.濃H2SO4

【答案】（1）Fe3O4????（2）ab ???

【解析】（1） 生成的固體產(chǎn)物中Fe、O兩種元素的質(zhì)量比為21：8，則Fe、O兩種元素的物質(zhì)的量之比為：=，則該固體產(chǎn)物的化學式為Fe3O4；

（2）鋼樣灼燒生成氣體中含有CO2和SO2，二氧化硫也能夠使澄清石灰水變渾濁，因此需要用酸性KMnO4溶液反應除去二氧化硫后再用澄清石灰水檢驗。

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5．浸取及浸出率：浸取的目的是把固體轉(zhuǎn)化為溶液，以便于后繼的轉(zhuǎn)化或分離。包括水浸取、酸溶、堿溶、醇溶等。浸出率是指固體溶解后，離子在溶液中的含量的多少。

提高浸取率的措施：①將礦石研成粉末，提高接觸面積；②攪拌，使反應更加充分；③當增大酸的濃度；④加熱；⑤延長浸出時間

【習題】氯氧化鉍(BiOC1) 常用于電子設備等領域，BiOCl 難溶于水，它是BiCl3的水解產(chǎn)物。以鉍的廢料(主要含鉍的化合物，含少量銅、鉛、鋅的硫酸鹽及Cu2S和Fe2O3等)為原料生產(chǎn)高純度BiOCl的工藝流程如圖：

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（1）提高“酸浸”反應速率的措施有適當增加硫酸的濃度、_____________________(答出一點即可)。

（4）“浸鉍”中，鉍的浸出率與溫度關(guān)系如圖所示：

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在高于40℃左右時“鉍浸出率”開始下降，其主要因素可能是_______________。

【答案】（1）適當升高溫度 ???（4）HCl揮發(fā)加快，Bi3+水解程度增大 ???

【解析】（1）提高“酸浸”反應速率的措施有適當增加硫酸的濃度、適當升高溫度或進行攪拌等；

（4）在“浸鉍”中，鉍的浸出率與溫度，根據(jù)圖示可知：在溫度接近40℃時Bi的浸出率最高，此后溫度升高，浸出率反而降低，主要是由于溫度升高，HCl揮發(fā)加快，且溫度升高使Bi3+水解程度也增大，最終導致鉍的浸出率隨溫度的升高而降低。

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6．酸浸：酸浸是指把預處理得到的物料與酸(鹽酸或硫酸) 溶液進行反應，使物料中的堿性或兩性氧化物轉(zhuǎn)化為相應的鹽、并用酸抑制該鹽的水解同時除去不溶于該酸的雜質(zhì)( 如 SiO2?或 CaSO4?等) 。

【2021湖南卷17】可用于催化劑載體及功能材料的制備。天然獨居石中，鈰(Ce)主要以形式存在，還含有、、、等物質(zhì)。以獨居石為原料制備的工藝流程如下：

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為提高“水浸”效率，可采取的措施有________________________________(至少寫兩條)

【答案】適當升高溫度，將獨居石粉碎等

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【習題】聚硅酸鐵是目前無機高分子絮凝劑研究的熱點，一種用鋼管廠的廢鐵渣(主要成分Fe3O4，含少量碳及二氧化硅)為原料制備的流程如下：

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（1）廢鐵渣進行“粉碎”的目的是______________________。?

（2）“酸浸”需適宜的酸濃度、液固比、酸浸溫度、氧流量等，其中酸浸溫度對鐵浸取率的影響如圖所示。

①加熱條件下酸浸時，F(xiàn)e3O4與硫酸反應的化學方程式為_________________________。?

②酸浸時，通入O2的目的是______________________。?

③當酸浸溫度超過100 ℃時，鐵浸取率反而減小，其原因是________________________。?

【答案】（1）增大接觸面積，提高反應速率，提高鐵元素浸取率 ???

（2）Fe3O4+4H2SO4△(===)FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O ???將FeSO4氧化為Fe2(SO4)3????溫度超過100℃，加快Fe3+水解生成Fe(OH)3，導致Fe3+濃度降低

【解析】（1）對廢鐵渣進行粉碎的目的是：減小顆粒直徑，增大浸取時的反應速率和提高鐵浸取率；

（2）①加熱條件下酸浸時，F(xiàn)e3O4與硫酸反應生成硫酸鐵和硫酸亞鐵，方程式為：Fe3O4+4H2SO4△(===)FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O；

②酸浸時有亞鐵離子生成，通入氧氣能將亞鐵離子氧化為鐵離子，發(fā)生反應的離子方程式為4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O；

③鐵離子在水溶液中存在水解，溫度升高有利于水解反應的進行，溫度超過100℃明顯加快了Fe3+水解反應的速率，導致Fe3+濃度降低。

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7．堿浸：洗去動植物油污，除去鋁片氧化膜，溶解鋁、二氧化硅（加堿量不宜過多）

【習題】錫酸鈉可用于制造陶瓷電容器的基體、顏料和催化劑。以錫銻渣(主要含Sn、Sb、As、Pb的氧化物)為原料，制備錫酸鈉的工藝流程圖如下圖所示:

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（1）堿浸”時SnO2發(fā)生反應的化學方程式為___________________________。

（2）“堿浸”時，若Sn元素氧化物中SnO含量較高，工業(yè)上則加入NaNO3，其作用是_________________。

【答案】（1）SnO2+2NaOH= Na2SnO3+H2O ???（2）把SnO氧化為SnO32—???

【解析】NaNO3具有氧化性，能將SnO氧化，“堿浸”時，若SnO含量較高，工業(yè)上則加入NaNO3，其作用是把SnO氧化成SnO32-，故答案為把SnO氧化為SnO32—。

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