备战 2022 年高考化学：工艺流程专项复习之分离提纯及其操作

备战 2022 年高考化学：工艺流程专项复习之分离提纯及其操作

2022年高考化学备考之工艺流程专题复习系列

专题5-分离、纯化与操作

1. 常见产品分离纯化方法及其应用

1. 过滤

固液分离的方法主要有三种：常压过滤、减压过滤、热过滤。

（1）常压过滤：可通过预处理、pH调节等工艺去除杂质。但值得注意的是，需要分析产品的需求，综合考虑生产目的，准确确定过滤后产生的滤液和残渣。过滤后的主要成分是留在滤液中还是留在残渣中，才能准确判断。

【练习】三氧化镍是重要的电子元件材料和电池材料。工业上，含镍废料（主要是镍、铁、钙、镁合金）用于生产草酸镍（·2H2O），再经高温煅烧。草酸镍用于制造三氧化镍。已知草酸的钙、镁、镍盐不溶于水。根据下列工艺流程图回答问题。

操作 1 的名称是 。

【答案】过滤

[分析] 根据流程图，含镍废料通过加酸溶解，除去不溶物，因此操作1的名称为过滤。

【练习】精对苯二甲酸（PTA）是生产涤纶纤维的重要化工原料，生产过程中产生的氧化残渣主要有苯甲酸、对苯二甲酸、钴锰催化剂等，可采用如下工艺实现对PTA残渣中有效成分苯甲酸、Co2+和Mn2+的回收提纯，达到废物再利用的目的。

（1）操作I的方法是：操作II实验室主要用到的玻璃仪器有：

【答案】过滤漏斗、烧杯

【解析】通过分析可知，操作一的方法为过滤；操作二为液体分离，而液体分离主要用到的玻璃仪器有分液漏斗和烧杯。

（2）真空过滤、抽滤

抽滤真空过滤是指与普通常压过滤原理相同的一种操作，与普通过滤相比，抽滤加快了过滤速度，抽滤的优点是过滤速度快，有时可以滤出气体，并能达到快速干燥产品的效果。

【练习】氯碱行业固体废盐泥的工业利用（主要成分为Mg(OH)2、CaCO3、BaSO4，此外还有NaCl、Al(OH)3、Fe(OH)3、Mn(OH)2等）与废稀硫酸反应制取七水硫酸镁，产率高，不仅处理了三废，而且有经济效益。其工艺流程如下：

（3）该工艺采用多次过滤操作，其优点是在四次过滤过程中：过滤①得到的滤渣A成分为、CaSO4；过滤②得到的滤渣B成分为MnO2、、；过滤③得到的滤液C中主要杂质阳离子的检测方法是：真空过滤④抽干产品。

（4）根据溶解度曲线，操作M应采取的方法是适当浓缩。

【答案】（3）快速（OH）3Al（OH）3火焰反应（4）趁热过滤

【分析】（3）过滤操作的优点是过滤速度快，在强酸性条件下得到滤渣A，因此其主要成分为BaSO4和CaSO4，在pH=5~6下得到滤渣B，根据氢氧化物沉淀完全的pH可知滤渣B的主要成分为Al(OH)3、Fe(OH)3、MnO2；滤液C的主要成分为MgSO4和少量的CaSO4，主要杂质阳离子为Na+。可用火焰显色反应检测。

（4）根据溶解度曲线可知，CaSO4在40℃左右溶解度最大，在80℃左右溶解度最小，因此，工序M中应采用的方法是适当趁热浓缩过滤，以除去尽可能多的CaSO4。

（3）热过滤

当溶液的温度降低时，有些物质容易结晶析出。为了滤除此类溶液中所含的其他可溶性杂质，通常采用热漏斗过滤，以防止溶质结晶。热漏斗内装有热水，以维持溶液的温度。

【练习】硼镁泥是一种工业废料，主要成分为MgO（占40%），另外还有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等杂质。由硼镁泥生产出来的硫酸镁，可用于印染、造纸、医药等行业。从硼镁泥中提取MgSO4•7H2O的工艺流程如图所示：

已知MgSO4和CaSO4的溶解度如下：

温度(℃)

40

50

60

70

硫酸镁

30.9

33.4

35.6

36.9

硫酸钙

0.210

0.207

0.201

0.193

“脱钙”就是从MgSO4和CaSO4混合溶液中除去CaSO4。根据上表数据，简述脱钙操作步骤__、__。

【答案】蒸发浓缩（结晶）趁热过滤

【解析】温度影响硫酸镁和硫酸钙的溶解度，温度越高，硫酸钙的溶解度越低，可用蒸发浓缩、热过滤的方法除去硫酸钙，操作一是将滤液继续蒸发浓缩，冷却结晶，再过滤得MgSO4·7H2O，故答案为蒸发浓缩（结晶）；趁热过滤。

2. 提取

（1）萃取是一种分离、纯化物质的方法，通常分为液-液萃取和固-液萃取两种方法。

液-液萃取是利用溶质在不混溶溶剂中溶解度的不同，用溶剂（萃取剂）从由一种溶剂和另一种溶剂组成的溶液中提取溶质的过程。

固液萃取是利用固体吸附剂吸附液相中的某些溶质，达到分离或净化效果的。

（2）萃取反萃取

在溶剂萃取分离过程中，在萃取操作完成后，为了进一步纯化目标产品或便于下一步分离操作的实施，往往需要将目标产品转移到水相中，这种转移到水相中的萃取操作称为反萃取，可以看作是萃取的逆过程。

【练习】实验室利用含钴废料（主要为Co，含有一定量的NiO、Al2O3、Fe、SiO2等）制备草酸钴晶体（•2H2O）的流程如图所示。已知：①草酸钴晶体难溶于水，②RH为有机物（难电离）。回答以下问题：

（4）加入有机萃取剂的目的是。

（5）“反萃取”的原理是利用反萃取剂使萃取物从有机相返回到水相的过程。在操作①之后，向含有NiR2的有机层中加入硫酸溶液，再次得到RH。写出步骤反应离子方程式_。

【答案】（4）溶解NiR2并将其与水层分离（5）NiR2+2H+=2RH+Ni2+

【分析】（4）根据分析，加入有机萃取剂的目的是为了溶解NiR2，使其与水层分离；

（5）“反萃取”的原理是利用反萃取剂将萃取物从有机相返回到水相的过程。在操作①之后，向含有NiR2的有机层中加入硫酸溶液，回收RH。该反应的离子方程式为NiR2+2H+=2RH+Ni2+。

[练习] 由黏土矿（含V2O5、Fe2O3、Al2O3、SiO2等不溶组分）制取V2O5的工艺流程如下：

已知： ①硫酸氧钒[(VO)SO4]在高温下易分解生成VO2和SO3

②萃取剂对有关离子的萃取能力如下：

粒子

摄氧量

画外音

铁离子

铁离子

萃取能力

强（随 pH 值升高而增强）

虚弱的

强大的

虚弱的

（3）用20%硫酸“反萃取”的目的是什么，“氧化”的离子方程式是。

（4）用反萃取法从CCl4溶液中提取碘，画出流程图____。

【答案】（3）降低VO2+和VO

有机相萃取能力

（4）

【分析】

（3）根据题意，有机相中VO2+的萃取量随pH的升高而增大，因此加入20%硫酸可降低VO2+和VO

有机相中萃取能力强；氧化过程中加入KClO3和氨水，使VO2+氧化后的红色钒沉淀出来。根据电子和元素守恒定律，离子方程为：

；

（4）单质碘能与NaOH溶液反应生成碘化钠和碘酸钠，这两种物质易溶于水。因此，可将浓NaOH溶液加入到碘CCl4溶液中，摇匀，静置，分离后可得到含I-和IO的溶液

水溶液，然后加入稀硫酸，在酸性环境下，I-和IO

发生中和反应，得到含碘的悬浮液，再经过滤，得到碘元素，流程图如下：

。

【练习】钒及其化合物在工业上有多种用途，钒精矿的主要成分及质量分数如下表所示：

物质

五氧化二钒

氧化钒

氧化钾

二氧化硅

氧化铁

氧化铝

质量分数%

0.81

1.70

2.11

63.91

5.86

12.51

从钒精矿中提取五氧化二钒的工艺流程如下：

（2）萃取剂对四价钒的选择性较高，萃取Fe3+而不萃取Fe2+。因此，在萃取前，可用（填名称，下同）对浸出液进行“还原”。是否含有Fe3+，可选用的化学试剂是。

（3）“溶剂萃取反萃取”可表示为：VO2++（）2（O）

VO(R2PO4)2(O)+ 2H+。其中()2(O)为萃取剂。为了提高VO2+的产率，反萃取剂应为酸性、碱性或中性。

【答案】（2）铁粉与硫氰酸钾溶液 （3）酸

【分析】（2）据分析，提取前可用铁粉“还原”浸出液；铁离子和硫氰酸钾溶液反应生成红色，可用硫氰酸钾溶液检验是否含有铁离子；

（3）为了提高VO2+的产率，需要使平衡左移，这就需要溶液中存在大量的氢离子，因此反萃取剂应为酸性。

3.蒸馏

蒸馏是利用液体混合物中各组分沸点不同的特点，对液体混合物进行加热，使其中一种组分变成蒸气，然后凝结成液体，从而将其与其它组分分离的操作。

【练习】亚磷酸钠（）用途很广，也是一种性价比高的催化剂。用“还原法”制备高纯度氢碘酸和亚磷酸钠（）的工业工艺流程如下：

“合成”过程中的主要氧化产物是亚磷酸（H3PO3），对应的化学反应式为：+I2+H2O=H3PO3+NaI+HI。

已知：亚磷酸（H3PO3）是二元酸，它的电离常数K1=3.7×l0-2，K2=2.9×l0-7；180℃时分解为PH3和磷酸。请回答：

采用减压蒸馏的原因是。

【答案】防止H3PO3在180℃以上分解成PH3和磷酸

【解析】由于亚磷酸在180℃时分解为PH3和磷酸，为防止亚磷酸分解，亚磷酸转化为亚磷酸二氢钠时应采用减压蒸馏。因此答案为：防止温度超过180℃。在180℃时，H3PO3分解为PH3和磷酸。

【练习】硼氢化钠（NaBH4）在化工生产中有广泛的用途，它在室温下能与水发生反应，易溶于异丙胺（沸点33℃），生成NaBH4（Fe3O4），其工艺流程如下：

工序2的名称为，该工序中可回收的物料为。

【答案】异丙胺的蒸馏

【解析】操作1所得物质为硼氢化钠与异丙胺的混合物，异丙胺的沸点为33℃，比较低，易挥发，二者可用蒸馏法分离，因此操作2为蒸馏。丙胺可回收利用，故答案为：蒸馏；异丙胺。

3. 模拟演练

1、高锰酸钾生产过程中产生的废锰渣（主要成分为MnO2、KOH、MgO、Fe2O3）可用于制备MnSO4晶体，其工艺流程如下：

本工艺条件下金属离子开始沉淀及完全沉淀的pH值如下表所示：

金属离子

铁离子

铁离子

锰

镁离子

沉淀开始时的 pH 值

2.10

7.45

9.27

9.60

完全沉淀 pH

3.20

8.95

10.87

11.13

回答以下问题：

（1）MnSO4中阴离子的空间构型是_。

（2）为提高“反应I”的速率，可以采取的措施有（写出除“加热”以外的任意一项）。滤渣A的主要成分是（填入化学式）。

（3）黄铁矿（FeS2）在“反应Ⅱ”中的作用是_。

（4）“反应III”的离子方程式是。

（5）在“调节pH值”步骤中，pH值应调节至不低于。

（6）取0.1510g MnSO4固体，溶于适量水中，加硫酸酸化，用过量（难溶于水）完全氧化为

，过滤，洗涤，将洗涤液加入滤液中，再加入0.5360g固体，反应充分后，用0./L KMnO4溶液滴定，取20.00mL，计算样品中MnSO4的质量分数（保留三位有效数字）。

【答案】（1）正四面体

（2）适当提高硫酸MnO2浓度

（3）MnO2还原为Mn2+（4）

（5）3.2（6）98.0％

【分析】

在废锰渣中加入硫酸，MnO2不发生反应，过滤后滤渣A的主要成分为MnO2。反应Ⅱ为MnO2与黄铁矿在酸性条件下发生的氧化还原反应，反应式为

，过滤后的S与含有硫酸铁、硫酸锰等溶液发生反应。III加入MnO2是为了将Fe2+氧化为Fe3+，反应式为

添加CaCO3是为了利用Fe3+和

通过二水解除去Fe3+，最后溶液经蒸发、浓缩、冷却、结晶、过滤、洗涤、干燥后，即得硫酸锰产品。

【分析】

（1）

离子中S原子采用sp3杂化，离子具有正四面体结构，硫原子位于正四面体的中心，4个氧原子分别位于正四面体的4个顶点，因此正四面体被填满；

（2）提高反应速率的措施有适当提高温度、适当增加酸浓度、黄铁矿粉碎、搅拌等，根据题目选择其中一种。废渣A为MnO2，故填适当增加硫酸和MnO2的浓度；

（3）根据反应方程

、黄铁矿被氧化，作为还原剂，将MnO2还原为Mn2+，所以填入MnO2还原为Mn2+；

（4）根据题目要求，反应III的离子方程式为

，因此填写

；

（5）由表中数据可知，Fe3+完全沉淀的pH为3.2，Mn2+开始沉淀的pH为9.27。为了完全去除Fe3+而不影响Mn2+，pH应不低于3.2，但不高于9.27。填入3.2；

（6）这是一种间接测定MnSO4含量的方法。根据问题，

响应式

物质的量=总量

滴定过程中消耗的物质的量

添加的物质的量由此计算得出。

=0.，根据方程

可以看出，剩余的

样品产生的物质量为0。

响应式

物质的量为0.004-0.0016=0.，即样品中MnSO4的含量为0.，其质量分数为

=98.0%，所以填写98.0%。

2、综合利用锌冶炼渣（主要含有镓铁氧体Ga2(Fe2O4)3和锌铁氧体）得到三种金属盐，进一步利用镓盐制备出具有优良光电性能的氮化镓（GaN）。部分工艺流程如下：

已知： ①室温下，渗滤液中各离子浓度及开始形成氢氧化物沉淀的pH值如表1所示。

②工艺条件下金属离子的提取率（金属离子进入有机层的百分比）见表2。

表 1 沉淀开始时的金属离子浓度和 pH 值

金属离子

浓度(mol·L-1)

沉淀开始时的 pH 值

铁离子

1.0×10-3

8.0

铁离子

4.0×10-2

1.7

锌

1.5

5.5

镓

3.0×10-3

3.0

表2 金属离子提取率

金属离子

提取率（%）

铁离子

铁离子

99

锌

镓

97-98.5

（1）Ga2(Fe2O4)3中Ga的价数为，“浸出”时反应离子方程式为。

（2）滤液1中可回收物质为，滤饼的主要成分为；萃取前加入的固体X为。

（3）Ga与Al同属主族，化学性质相似。剥离后，镓以（填入化学式）形式存在。

(4)电解过程包括反萃液电解生产粗镓和粗镓精炼两个步骤。精炼时以粗镓为阳极，NaOH溶液为电解液，阴极的电极反应为：

（5）用MOCVD（金属有机化学气相沉积）技术可以制备GaN：以合成的三甲基镓为原料，与NH3反应，生成GaN和另一产物。该过程的化学反应式为：____。

（6）滤液1中残余Ga3+的浓度为mol·L-1（写出计算过程）。

【答案】（1）+3价Fe2O

+8H＋＝2Fe3＋+4H2O （2）硫酸锌 Fe(OH)3、Ga(OH)3Fe （3） （4）GaO

+3e－+2H2O=Ga+4OH－(5)Ga(CH3)3+NH3＝3CH4+GaN(6)3.0×10-10.2

【分析】

锌冶炼渣经稀硫酸酸浸后得到的滤液中含有亚铁离子、三价铁离子、锌离子、Ga3+。加入双氧水将亚铁离子氧化，调节pH为5.4，使三价铁离子和Ga3+沉淀出来。滤液1中含有锌离子。所得滤饼用盐酸酸化，得到三氯化铁和氯化镓。加入固体铁，将三价铁离子转化为亚铁离子。然后用萃取剂萃取Ga3+。加入氢氧化钠溶液，将Ga3+转化为Ga3+。电解液生成单质Ga，并进行反应。

【分析】

（1）Ga2(Fe2O4)3中，Fe为+3，O为-2，由于价数代数和为0，所以Ga的价数为+3。“浸出”过程中反应的离子方程式为Fe2O

+8H+=2Fe3++4H2O。

（2）根据以上分析，滤液1中含有硫酸锌，因此可回收物质为硫酸锌。调节pH为5.4，沉淀出铁离子和Ga3+，滤饼的主要成分为Fe(OH)3、Ga(OH)3；萃取前加入的固体X目的是还原铁离子，此时X为Fe。

（3）Ga与Al属同一主族，化学性质相似，反萃取后加入氢氧化钠溶液，使Ga3+转化为，即镓以的形式存在。

（4）精炼时，以粗镓为阳极，NaOH溶液为电解液，阴极获得电子转化为Ga，电极反应为GaO

+3e－+2H2O＝Ga+4OH－。

（5）以合成的三甲基镓为原料，与NH3进行一系列反应，得到GaN和另一产物，根据原子守恒定律，还会生成甲烷，该过程的化学反应式为Ga(CH3)3+NH3=3CH4+GaN。

（6）根据表中数据，Ga(OH)3的溶度积常数为3.0×10-3×（10-11）3=3.0×10-36，溶液的pH为5.4，即氢氧离子浓度为10－8.6mol/L，因此滤液1中残余Ga3+的浓度为

=3.0×10-10.2mol·L-1。

3.镁铝复合氧化物（

)作为载体的负载型镍铜双金属催化剂(

)是一种新型高效加氢或脱氢催化剂，其制备过程如下：

已知：在室温下，

，

。回答以下问题：

（1）在加热条件下，尿素

它在水中水解，释放出两种气体（写出化学式）。

（2）“结晶”过程中，温度必须保持恒定在60℃。可采用的加热方法有：

（3）“洗涤”过程中，检查滤饼是否干净的方法是。

（4）在室温下，如果悬浮液

，然后解决方案

。

(5) “还原”过程中发生的反应化学方程式是 ____。

（6）

在强碱性溶液中

氧化可得

，该物质可作为碱性镍镉电池的正极材料。其电池反应公式为：

①放电一段时间后，溶液的pH值会（填“增大”、“减小”或“保持不变”）。

②充电时，在阳极发生的电极反应是。

【答案】(1)

（2）水浴加热

（3）取少量上次清洗液放入试管中，加入稀盐酸，再加入氯化钡，若有白色沉淀，则不清洗干净，若无沉淀，则清洗干净。

（4）10

（5）氧化镍 + 氢气

Ni＋H2O，CuO＋H2

铜＋水

（6）增加 Ni(OH)2 + OH--e- = NiOOH + H2O

【分析】

将尿素在90℃下加入MgSO4、Al2(SO4)3、NiSO4、CuSO4的混合溶液中发生反应，生成Mg(OH)2、Al(OH)3、Cu(OH)2、Ni(OH)2的悬浮液，经60℃净化过滤得滤饼，经洗涤、干燥、煅烧得MgO、CuO、NiO和Al2O3，在550℃下用氢气还原。

【分析】

（1）根据题意，尿素[CO(NH2)2]在加热条件下与水发生水解反应，即CO(NH2)2 + H2O

CO2↑＋2NH3↑，于是放出NH3、CO2两种气体；所以答案为：NH3；CO2。

（2）结晶过程中，必须维持60℃恒温，且温度须低于100℃，所以所采用的加热方式为水浴加热；因此答案为：水浴加热。

（3）在“洗涤”过程中，检查滤饼是否洗净，主要方法是检查洗涤液中是否还含有硫酸盐。因此，常用的方法是取少量最后一次洗涤液放入试管中，在试管中加入稀盐酸，然后加入氯化钡。如果有白色沉淀，则不洗净。如果没有沉淀，则洗净。所以答案是：取少量最后一次洗涤液放入试管中，在试管中加入稀盐酸，然后加入氯化钡。如果有白色沉淀，则不洗净。如果没有沉淀，则洗净。如果有沉淀，则没有洗净；如果没有沉淀，则洗净了。

（4）在室温下，如果悬浮液

，

，但

，

，然后解决方案

10；所以答案是：10。

（5）“还原”过程最终产生

，说明NiO、CuO与氢气发生还原反应，故该反应化学方程式为NiO+H2

Ni＋H2O，CuO＋H2

Cu＋H2O；故答案为：NiO＋H2

Ni＋H2O，CuO＋H2

Cu＋H2O。

（6）①放电一段时间后，负极反应为Cd-2e- + 2OH- = Cd(OH)2，正极为 + 2e- + 2H2O = 2Ni(OH)2 + 2OH-。正极生成OH-的量和负极消耗的OH-的量成正比。OH-物质的量相等，但电解液中的水被消耗，使碱性变强，因此溶液的pH值会升高；所以答案是：升高。

②根据放电时正极反应公式NiOOH + e- + H2O = Ni(OH)2 + OH-，充电时负极处的电极反应公式为Ni(OH)2 + OH--e- = NiOOH + H2O；故答案为：Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O。