備戰2022年高考化學－工藝流程專項復習系列

專項5－分離提純及其操作

一．常見的產品分離提純的方法及其應用

1．過濾

固液分離的一種方法，主要有常壓過濾，減壓過濾，熱過濾三種。

（1）常壓過濾：通過預處理、調節pH等工序可實現對雜質的去除，但值得註意的是需要分析對產品的需求及生產目的的綜合考慮，準確判斷經過過濾後產生的濾液、濾渣的主要成分，準確判斷是留下濾液還是濾渣。

【習題】三氧化二鎳是一種重要的電子元件材料、蓄電池材料。工業上利用含鎳廢料(以鎳、鐵、鈣、鎂合金為主)制取草酸鎳(NiC2O4·2H2O)，再高溫煅燒草酸鎳制取三氧化二鎳。已知草酸的鈣、鎂、鎳鹽均難溶於水。根據下列工藝流程示意圖回答問題。

操作1的名稱為__________。

【答案】過濾

【解析】根據流程圖，含鎳廢料加酸溶解，除去不溶物，所以操作1的名稱為過濾。

【習題】精對苯二甲酸(PTA)是生產聚酯纖維的重要化工原料。生產過程產生的氧化殘渣主要含有苯甲酸、對苯二甲酸、鈷錳催化劑等。采用以下工藝流程可實現PTA殘渣中有效成分苯甲酸和Co2+、Mn2+的回收與純化，達到廢物再利用的目的。

（1）操作I的方法是______；實驗室進行操作Ⅱ主要用的玻璃儀器有_________。

【答案】過濾 分液漏鬥、燒杯

【解析】經分析可知，操作I的方法是過濾；操作Ⅱ是分液，分液主要用的玻璃儀器有分液漏鬥、燒杯。

（2）減壓過濾，抽濾

抽濾和減壓過濾是指一種操作，其原理與普通的常壓過濾相同。相比普通過濾，抽濾加快瞭過濾的速度。抽濾的優點是快速過濾，有時候還可以過濾掉氣體，並能達到快速幹燥產品的作用。

【習題】工業上利用氯堿工業中的固體廢物鹽泥（主要成分為Mg(OH)2、CaCO3、BaSO4，除此之外還有NaCl、Al(OH)3、Fe(OH)3、Mn(OH)2等。）與廢稀硫酸反應制備七水硫酸鎂，產率高，既處理瞭三廢，又有經濟效益。其工藝流程如下：

50ba0c2c2e2d5a7e500c4c2fbc44d59f

（3）本工藝流程多次用到抽濾操作，其優點在於____________，四次抽濾時：抽濾①所得濾渣A的成分為____________、CaSO4；抽濾②所得濾渣B的成分為MnO2、____________、____________；抽濾③所得濾液C中主要雜質陽離子的檢驗方法是____________；抽濾④將產品抽幹。

（4）依據溶解度曲線，操作M應采取的方法是適當濃縮，____________。

【答案】（3）速度快 BaSO4 Fe（OH）3 Al（OH）3 焰色反應 （4）趁熱過濾

【解析】（3）抽濾操作的優點是過濾速率快；在強酸性條件下過濾得濾渣A，所以其主要成分為BaSO4和CaSO4；在pH=5~6的條件下過濾得濾渣B，根據氫氧化物沉淀完全的pH可知：濾渣B的主要成分為Al(OH)3、Fe(OH)3、MnO2；濾液C中的主要成分為Na2SO4、MgSO4 和少量的CaSO4，其主要雜質陽離子為Na+，可用焰色反應檢驗。

（4）依據溶解度曲線，CaSO4在40℃左右溶解度最大，在80℃左右溶解度最小，所以操作M應采取的方法適當濃縮、趁熱過濾，盡可能多的除去CaSO4。

（3）熱過濾

某些物質在溶液溫度降低時，易成結晶析出，為瞭濾除這類溶液中所含的其他溶性雜質，通常使用熱漏鬥進行過，防止溶質結晶析出。過時，把玻璃漏鬥放在銅質的熱遽漏鬥內，熱遽漏鬥內裝有熱水以維持溶液的溫度。

【習題】硼鎂泥是一種工業廢料，主要成份是MgO(占40%)，還有CaO、MnO、Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等雜質．以硼鎂泥為原料制取的硫酸鎂，可用於印染、造紙、醫藥等工業．從硼鎂泥中提取MgSO4•7H2O的流程如圖：

已知MgSO4、CaSO4的溶解度如下表：

溫度(℃)

40

50

60

70

MgSO4

30．9

33．4

35．6

36．9

CaSO4

0．210

0．207

0．201

0．193

“除鈣”是將MgSO4和CaSO4混合溶液中的CaSO4除去，根據上表數據，簡要說明除鈣的操作步驟______________________、______________________。

【答案】蒸發濃縮(結晶) 趁熱過濾

【解析】有溫度對硫酸鎂、硫酸鈣的溶解度影響，溫度越高，硫酸鈣溶解度越小，可以采用蒸發濃縮，趁熱過濾方法除去硫酸鈣；操作I”是將濾液繼續蒸發濃縮，冷卻結晶，再經過過濾，便得到瞭MgSO4•7H2O，故答案為蒸發濃縮（結晶）；趁熱過濾。

2．萃取

（1）萃取是一種分離、純化物質的方法。通常分為液液萃取與固液萃取兩種方式。

液液萃取是利用溶質在互不相溶的溶劑裡的溶解度不同，用一種溶劑（萃取劑）把溶質從它與另一種溶劑組成的溶液裡提取出來的過程。

固液萃取則是利用固態吸附劑，將液相中之某些溶質吸附於其上，達成分離或純化之效果。

（2）萃取與反萃取

在溶劑萃取分離過程中，當完成萃取操作後，為進一步純化目標產物或便於下一步分離操作的實施，往往需要將目標產物轉移到水相。這種調節水相條件，將目標產物從有機相轉入水相的萃取操作稱為反萃取，可看作是萃取的逆過程。

【習題】實驗室用含鈷廢料(主要成分為Co，含有一定量的NiO、Al2O3、Fe、SiO2等)制備草酸鈷晶體( CoC2O4• 2H2O)的流程如圖。已知：①草酸鈷晶體難溶於水②RH為機有物(難電離)。回答下列問題：

（4）加入有機萃取劑的目的是_______________________________________。

（5）“反萃取”原理是用反萃取劑使被萃取物從有機相返回水相的過程。向操作①後溶有NiR2 的有機層中加入硫酸溶液，可重新得到RH，寫出該步驟反應的離子方程式_____________________。

【答案】（4）溶解NiR2，使之與水層分離 （5）NiR2+2H+=2RH+Ni2+

【解析】（4）根據分析，加入有機萃取劑的目的是溶解NiR2，使之與水層分離；

（5）“反萃取”原理是用反萃取劑使被萃取物從有機相返回水相的過程。向操作①後溶有NiR2 的有機層中加入硫酸溶液，可重新得到RH，反應的離子方程式NiR2+2H+=2RH+Ni2+。

【習題】粘土帆礦(含V2O5、Fe2O3、Al2O3、SiO2等不溶性成分)制備V2O5的工藝流程如下：

已知： ①硫酸氧釩[(VO)SO4]高溫易分解生成VO2和SO3

②萃取劑對相關離子的萃取能力如下表：

微粒

VO2+

VO

Fe3+

Fe2+

萃取能力

強(隨pH增大而增強)

弱

強

弱

（3）“反萃取”用 20%硫酸目的為__________________，“氧化”的離子方程式為__________________。

（4）用反萃取法由碘的 CCl4溶液提取碘單質，畫出流程圖________________________。

【答案】（3）降低 VO2+、VO在有機相中的萃取能力

（4）

【解析】

（3）根據題意可知VO2+在有機相中的萃取能力隨pH增大而增強，所以加入20%硫酸降低VO2+、VO在有機相中的萃取能力；氧化過程中加入KClO3和氨水將VO2+氧化的紅釩沉淀，根據電子守恒和元素守恒可得離子方程式為；

（4）碘單質可以和NaOH溶液反應得到易溶於水的碘化鈉和碘酸鈉，所以可以先在碘的CCl4溶液中加入濃NaOH溶液振蕩、靜置、分液得到含有I-和IO的水溶液，之後加入稀硫酸，酸性環境下I-和IO發生歸中反應得到含碘懸濁液，過濾得到碘單質，流程圖為。

【習題】釩及其化合物在工業上有許多用途。某釩精礦的主要成分及質量分數如下表：

物質

V2O5

V2O3

K2O

SiO2

Fe2O3

Al2O3

質量分數%

0.81

1.70

2.11

63.91

5.86

12.51

一種從該釩精礦中提取五氧化二釩的流程如下：

（2）萃取劑對四價釩具有高選擇性，且萃取Fe3+而不萃取Fe2+，所以萃取前可用____________（填名稱，下同）對浸出液進行“還原”處理。為檢驗“還原”後的濾液中是否含有Fe3+，可選用的化學試劑是__________。

（3）“溶劑萃取與反萃取”可表示為：VO2+ + (HR2PO4)2(O)VO(R2PO4)2(O)+ 2H+。其中(HR2PO4)2(O)為萃取劑，為瞭提高VO2+的產率，反萃取劑應該呈 __________性（填“酸”“堿”或“中”）。

【答案】（2）鐵粉 硫氰酸鉀溶液 （3）酸

【解析】（2）根據分析可知萃取前可用鐵粉對浸出液進行“還原”處理；鐵離子與硫氰酸鉀溶液反應呈紅色，可用硫氰酸鉀溶液檢驗是否含有鐵離子；

（3）為瞭提高VO2+的產率需要平衡左移，則需要溶液中有大量氫離子，所以反萃取劑應呈酸性。

3．蒸餾

蒸餾是利用液體混合物中各組分的沸點不同，給液體混合物加熱，使其中的某一組分變成蒸氣再冷凝成液體，跟其他組分分離的操作。透用於分離沸點相差大的液體混合物。

【習題】亞磷酸鈉(Na2HPO3)用途廣泛，也是一種性價比高的催化劑。“NaH2PO2還原法”制備高純度氫碘酸和亞磷酸鈉(Na2HPO3)的工業流程如圖如下：

“合成”過程中主要氧化產物為亞磷酸(H3PO3)，相應的化學方程式為：NaH2PO2+I2+H2O=H3PO3+NaI+HI。

已知：亞磷酸(H3PO3)為二元酸，其電離常數K1=3.7×l0-2，K2=2.9×l0-7；180℃分解為PH3和磷酸。請回答：

采取減壓蒸餾的原因是______________。

【答案】防止溫度高於180℃時H3PO3分解為PH3和磷酸

【解析】由亞磷酸180℃分解為PH3和磷酸可知，為防止亞磷酸發生分解反應，將亞磷酸轉化為亞磷酸二氫鈉時，應采用減壓蒸餾，故答案為：防止溫度高於180℃時H3PO3分解為PH3和磷酸。

【習題】硼氫化鈉(NaBH4)廣泛用於化工生產，常溫下能與水反應，易溶於異丙胺(沸點為33 ℃)。工業上可用硼鎂礦(主要成分為Mg2B2O5·H2O，含少量雜質Fe3O4)制取NaBH4，其工藝流程如下：

操作2的名稱為________________，流程中可循環利用的物質是____________________。

【答案】蒸餾 異丙胺

【解析】操作1得到的物質是硼氫化鈉和異丙胺的混合物，異丙胺的沸點為33 ℃，較低，易揮發，可以通過蒸餾操作分離二者，因此操作2為蒸餾，分離得到的異丙胺可循環利用，故答案為：蒸餾；異丙胺。

三．模擬演練

1．高錳酸鉀生產過程中產生的廢錳渣(主要成分為MnO2、KOH、MgO和Fe2O3)可用於制備MnSO4晶體，工藝流程如下：

該工藝條件下金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：

金屬離子

Fe3+

Fe2+

Mn2+

Mg2+

開始沉淀pH

2.10

7.45

9.27

9.60

完全沉淀pH

3.20

8.95

10.87

11.13

回答以下問題：

（1） MnSO4中陰離子的空間構型為_____________________。

（2）提高“反應Ⅰ”速率可采取的措施是______________ (除“加熱”外，任寫一種)，濾渣A的主要成分為_______(填化學式)。

（3） “反應Ⅱ”中硫鐵礦(FeS2)的作用為_____________________。

（4）“反應Ⅲ”的離子方程式為____________________________。

（5）“調pH”步驟中，應調節pH不低於____________________________。

（6）取0.1510 g MnSO4固體，溶於適量水中，加硫酸酸化，用過量NaBiO3(難溶於水)將其完全氧化為，過濾，洗滌，洗滌液並入濾液後，加入0.5360 g Na2C2O4固體，充分反應後，用0.0320 mol/L KMnO4溶液滴定，用去20.00 mL，計算樣品中MnSO4的質量分數_____________________(保留三位有效數字)。

【答案】（1）正四面體

（2）適當增加硫酸的濃度 MnO2

（3）將MnO2還原為Mn2+ （4） （5）3.2 （6）98.0%

【分析】

在廢錳渣中加入硫酸，其中MnO2不反應，過濾後濾渣A的主要成分為MnO2，反應Ⅱ為MnO2與硫鐵礦在酸性條件下發生氧化還原反應，其反應為，過濾得S和含硫酸鐵、硫酸錳等的溶液反應Ⅲ加MnO2是將Fe2+氧化成Fe3+，其反應為加CaCO3是利用Fe3+與雙水解除去Fe3+，最後將溶液經過蒸發濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、幹燥得到硫酸錳產品。

【解析】

（1） 離子中，S原子采用sp3雜化，離子呈正四面體結構，硫原子位於正四面體體心，4個氧原子位於正四面體四個頂點，故填正四面體；

（2）提高反應速率的措施有適當升溫、適當增加酸的濃度，將硫鐵礦粉碎，攪拌，根據題意任選一種，廢渣A為MnO2，故填適當增加硫酸的濃度、MnO2；

（3）根據反應方程式，硫鐵礦被氧化，作還原劑，將MnO2還原為Mn2+，故填將MnO2還原為Mn2+；

（4）根據題意，反應Ⅲ的離子方程式為，故填；

（5）由表中數據可知，Fe3+完全沉淀的pH為3.2，Mn2+開始沉淀的pH為9.27，要使得Fe3+完全被除去而不影響Mn2+，pH應不低於3.2，但不高於9.27，故填3.2；

（6）此為采用間接測定法測MnSO4的含量，根據題意，與由樣品產生的反應的物質的量=總的的物質的量-滴定消耗的物質的量，由此計算。加入的Na2C2O4的物質的量為=0.004mol，由方程式846413365a0ac1d806572ce6341f2e46可知，剩餘的的物質的量為0.0016mol，由此得與由樣品產生的反應的物質的量為0.004-0.0016=0.0024mol，即樣品中MnSO4的物質的量為0.0098mol，其質量分數為=98.0%，故填98.0%。

2．綜合利用煉鋅礦渣(主要含鐵酸鎵Ga2(Fe2O4)3、鐵酸鋅ZnFe2O4)獲得3種金屬鹽，並進一步利用鎵鹽制備具有優異光電性能的氮化鎵(GaN)，部分工藝流程如下：

已知：①常溫下，浸出液中各離子的濃度及其開始形成氫氧化物沉淀的pH見表1。

②金屬離子在工藝條件下的萃取率(進入有機層中金屬離子的百分數)見表2。

表1金屬離子濃度及開始沉淀的pH

金屬離子

濃度(mol·L-1)

開始沉淀pH

Fe2+

1.0×10-3

8.0

Fe3+

4.0×10-2

1.7

Zn2+

1.5

5.5

Ga3+

3.0×10-3

3.0

表2金屬離子的萃取率

金屬離子

萃取率(%)

Fe2+

0

Fe3+

99

Zn2+

0

Ga3+

97-98.5

（1）Ga2(Fe2O4)3中Ga的化合價為__________________，“浸出”時其發生反應的離子方程式為____________。

（2）濾液1中可回收利用的物質是__________________，濾餅的主要成分是__________________；萃取前加入的固體X為__________________。

（3）Ga與Al同主族，化學性質相似。反萃取後，鎵的存在形式為____________ (填化學式)。

（4）電解過程包括電解反萃取液制粗鎵和粗鎵精煉兩個步驟。精煉時，以粗鎵為陽極，以NaOH溶液為電解液，陰極的電極反應為______________________________。

（5）GaN可采用MOCVD (金屬有機物化學氣相淀積)技術制得：以合成的三甲基鎵為原料，使其與NH3發生系列反應得到GaN和另一種產物，該過程的化學方程式為________________________。

（6）濾液1中殘餘的Ga3+的濃度為__________________ mol·L-1 (寫出計算過程)。

【答案】（1）+3價 Fe2O+8H＋＝2Fe3＋+4H2O （2）硫酸鋅 Fe(OH)3、Ga(OH)3 Fe （3）NaGaO2 （4）GaO+3e－+2H2O＝Ga+4OH－ （5）Ga(CH3)3+NH3＝3CH4+GaN （6）3.0×10-10.2

【分析】

煉鋅礦渣用稀硫酸酸浸後所得濾液中含有亞鐵離子、鐵離子、鋅離子、Ga3+，加入雙氧水氧化亞鐵離子，調節pH＝5.4，沉淀鐵離子和Ga3+，濾液1中含有鋅離子。得到的濾餅加入鹽酸酸化得到氯化鐵和氯化鎵，加入固體鐵把鐵離子轉化為亞鐵離子，然後利用萃取劑萃取Ga3+，加入氫氧化鈉溶液使Ga3+轉化為NaGaO2，電解NaGaO2溶液生成單質Ga，據此解答。

【解析】

（1）Ga2(Fe2O4)3中Fe是+3價，O是－2價，根據化合價代數和為0可知Ga的化合價為+3價，“浸出”時其發生反應的離子方程式為Fe2O+8H＋＝2Fe3＋+4H2O。

（2）根據以上分析可知濾液1中為硫酸鋅，則可回收利用的物質是硫酸鋅，調節pH＝5.4，沉淀鐵離子和Ga3+，濾餅的主要成分是Fe(OH)3、Ga(OH)3；萃取前加入的固體X的目的是還原鐵離子，則X為Fe。

（3）Ga與Al同主族，化學性質相似；反萃取後加入氫氧化鈉溶液使Ga3+轉化為NaGaO2，即鎵的存在形式為NaGaO2。

（4）精煉時，以粗鎵為陽極，以NaOH溶液為電解液，陰極是得到電子轉化為Ga，電極反應為GaO+3e－+2H2O＝Ga+4OH－。

（5）以合成的三甲基鎵為原料，使其與NH3發生系列反應得到GaN和另一種產物，根據原子守恒可知還有甲烷生成，該過程的化學方程式為Ga(CH3)3+NH3＝3CH4+GaN。

（6）根據表中數據可知Ga(OH)3的溶度積常數為3.0×10-3×（10－11）3＝3.0×10-36，溶液的pH＝5.4，即氫氧根離子濃度是10－8.6mol/L，所以濾液1中殘餘的Ga3+的濃度為＝3.0×10-10.2mol·L-1。

3．以鎂鋁復合氧化物()為載體的負載型鎳銅雙金屬催化劑()是一種新型高效加氫或脫氫催化劑，其制備流程如下：

已知：常溫下，，。回答下列問題：

（1）在加熱條件下，尿素在水中發生水解反應，放出______和______兩種氣體(寫化學式)。

（2）“晶化”過程中，需保持恒溫60℃，可采用的加熱方式為__________________。

（3）“洗滌”過程中，檢驗濾餅是否洗凈的方法是__________________。

（4）常溫下，若“懸濁液”中，則溶液的__________________。

（5）“還原”過程中所發生反應的化學方程式為________________________。

（6）在強堿溶液中被氧化可得，該物質能用作堿性鎳鎘電池的正極材料。其電池反應式：

①放電一段時間後，溶液的pH將____________(填“增大”“減小”或“不變”)。

②充電時，陽極發生的電極反應式為_________________。

【答案】（1）NH3 CO2

（2）水浴加熱

（3）取最後一次洗滌液少量於試管，向試管中加入稀鹽酸，再加入氯化鋇，若有白色沉淀則未洗凈，若無沉淀則已洗凈

（4）10

（5）NiO＋H2Ni＋H2O，CuO＋H2Cu＋H2O

（6）增大 Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O

【分析】

將MgSO4、Al2(SO4)3、NiSO4、CuSO4混合溶液在90℃下加入尿素發生反應生成懸濁液Mg(OH)2、Al(OH)3、Cu(OH)2、Ni(OH)2，在60℃凈化過濾，得到濾餅，洗滌、幹燥，焙燒得到MgO、CuO、NiO、Al2O3，在550℃溫度下用氫氣還原。

【解析】

（1）根據題意，尿素[CO(NH2)2]在加熱條件下與水發生水解反應即CO(NH2)2＋H2O CO2↑＋2NH3↑，因此放出NH3和CO2兩種氣體；故答案為：NH3；CO2。

（2）“晶化”過程中，需保持恒溫60℃，溫度在100℃以下，因此采用的加熱方式為水浴加熱；故答案為：水浴加熱。

（3）“洗滌”過程中，檢驗濾餅是否洗凈，主要檢驗洗滌液中是否還含有硫酸根，因此常用的方法是取最後一次洗滌液少量於試管，向試管中加入稀鹽酸，再加入氯化鋇，若有白色沉淀則未洗凈，若無沉淀則已洗凈；故答案為：取最後一次洗滌液少量於試管，向試管中加入稀鹽酸，再加入氯化鋇，若有白色沉淀則未洗凈，若無沉淀則已洗凈。

（4）常溫下，若“懸濁液”中，，則091295a43234298f3cdd70a188a51727，，則溶液的10；故答案為：10。

（5）“還原”過程最終得到，說明是NiO、CuO與氫氣發生還原反應，因此所發生反應的化學方程式為NiO＋H2Ni＋H2O，CuO＋H2Cu＋H2O；故答案為：NiO＋H2Ni＋H2O，CuO＋H2Cu＋H2O。

（6）①放電一段時間後，負極反應式為Cd－2e－＋2OH－=Cd(OH)2，正極是2NiOOH＋2e－＋2H2O =2Ni(OH)2＋2OH－，正極生成的OH－物質的量與負極消耗的OH－物質的量相等，但是消耗瞭電解質中的水，使堿性增強，因此溶液的pH將增大；故答案為：增大。

②根據放電時正極電極反應式NiOOH＋e－＋H2O =Ni(OH)2＋OH－，則充電時，陽極發生的電極反應式為Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O；故答案為：Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O。