备战年高考化学－工艺流程专项复习系列

专题2－原理的预处理

预处理的目的是使原料中待提取元素的状态，由难浸出的化合物或单质转变成易浸出的化合物

一．对原料进行预处理时常用方法及其作用

1．研磨、粉碎、雾化：将块状或粒状的物质磨成粉末或将液体分散成微小液滴，增大反应物间接触面积（作用），以加快后续操作反应速率（作用），进而增大原料的转化率或浸取率（目的）。

钴酸锂（LiCoO2）电池是一种应用广泛的新型电源，电池中含有少量的铝、铁、碳等单质。实验室尝试对废旧钴酸锂电池回收再利用。实验过程如下：

废旧电池初步处理为粉末状的目的是_______________________________________。

增大接触面积，加快反应速率，提高浸出率

废旧电池初步处理为粉末状的目的是：增大接触面积，加快反应速率，提高浸出率。

连二亚硫酸钠(Na2S2O4)是印染工业的一种常用原料，连二亚硫酸钠又称保险粉，可溶于水，但不溶于甲醇，其固体受热、遇水都会发生反应放出大量的热，甚至引起燃烧，工业制备流程如下：

向液锌中鼓入M气体，使液态锌雾化，目的是____________________________。

增大锌反应的表面积，加快化学反应速率

向液锌中鼓入M气体，使液态锌雾化，目的是减小锌的颗粒，使单质锌的表面积增大，以增大其与反应物的接触面积，加快反应速率。

粉煤灰是燃煤电厂的废渣，主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和C等。实验室模拟工业从粉煤灰提取活性Al2O3，其流程如图：

已知烧结过程的产物主要是：NaAlO2、Ca2SiO4、NaFeO2和Na2SiO3等。

操作a为冷却、研磨，其中研磨的目的是__________________________。

提高烧结产物浸出率

操作a为冷却、研磨，其中研磨的目的是增大反应物的接触面积，提高烧结产物浸出率。

2．焙烧：反应物与空气、氯气等氧化性气体或其他添加进去的物质（如硫酸）发生化学反应（所以焙烧分为氧化焙烧、硫酸化焙烧和氯化焙烧等）。以气固反应为主，为避免物质融化反应温度一般低于熔点，在～1℃之间。使用专门的化工装置如沸腾炉、焙烧炉等。

原料在空气中灼烧，焙烧的目的主要有两点:一为非金属元素被氧化为高价气态氧化物逸出或氧化成高价态化合物;二为金属元素被氧化为高价态氧化物或高价态化合物。高考题在预处理阶段的设问角度往往从粉碎与化学反应速率的关系、焙烧中的化学反应等入手。

工业上可以通过增加氧气的量、固体充分粉碎、逆流焙烧、适当升温等来提高焙烧效率。

工业上以铬铁矿(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等杂质)为主要原料制备红矾钠(Na2Cr2O72H2O)的工艺流程如图。回答下列问题：

焙烧的目的是将FeCr2O4转化为Na2Cr2O4并将Al、Si氧化物转化为可溶性钠盐，焙烧时气体与矿料逆流而行，目的是______________________________________________________。

增大反应物接触面积，提高化学反应速率，提高反应物转化率。

氯化铵焙烧菱锰矿制备高纯度碳酸锰的工艺流程如下：

已知：①菱锰矿石主要成分是，还含有少量Fe、Al、Ca、Mg等元素；

回答下列问题：

（1）“焙烧”时发生的主要化学反应方程式为_____________________。

（2）分析下列图1、图2、图3，氯化铵焙烧菱镁矿的最佳条件是：

焙烧温度_________，氯化铵与菱镁矿粉的质量之比为__________，焙烧时间为___________.

（1）MnCO3+2NH4Cl△(===)MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O（2）℃1.min

（1）“焙烧”时发生的主要化学反应方程式为：MnCO3+2NH4Cl△(===)MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O；

（2）根据图示锰浸出率比较高，焙烧菱镁矿的最佳条件是：焙烧温度℃；氯化铵与菱镁矿粉的质量比为1.10；焙烧时间为60min。

以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、少量FeS2和金属硫酸盐)为原料，生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如图所示。

（1）焙烧过程均会产生SO2，用NaOH溶液吸收过量SO2的离子方程式为_____________________。

（2）添加1%和不添加的矿粉焙烧，其硫去除率随温度变化曲线如图所示。

已知：多数金属硫酸盐的分解温度都高于；

。

①不添加CaO的矿粉在低于℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于____________(填化学式)。

②℃焙烧时，添加1%CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低，其主要原因是_________________________。

（1）（2）FeS2（3）硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中

（1）二氧化硫是酸性氧化物，少量二氧化硫与NaOH溶液反应可生成Na2SO3，过量二氧化硫与NaOH溶液反应可生成NaHSO3，离子方程式为。

（2）①高硫铝土矿的成分中含FeS2和金属硫酸盐，而已知多数金属硫酸盐的分解温度都高于，如果不添加CaO的矿粉在低于℃焙烧，则去除的硫元素主要来源为FeS2，具体的反应原理为。

②添加的CaO吸收生成，易被空气中的氧气氧化为，根据“多数金属硫酸盐的分解温度都高于”，可知时可能未分解或未完全分解而留在矿粉中，从而导致添加1%的矿粉硫去除率比不添加的矿粉硫去除率低，故答案为硫元素转化为而留在矿粉中。

3．煅烧：反应物受热分解或发生晶形转变，为避免融化温度低于熔点，但大多高于℃。如煅烧石灰石、生产玻璃、打铁等，使用的化工设备如回转窑。

以白云石（主要成分为CaCO3和MgCO3）为原料制备氧化镁和轻质碳酸钙的一种工艺流程如下：

（1）白云石高温煅烧所得固体产物的主要成分为_________________________（填化学式）。

（2）煅烧所得固体的活性与其中CaO含量及固体疏松程度有关。其他条件相同时，将不同温度下的煅烧所得固体样品加入酸化的酚酞溶液中，引起溶液变色所需时间不同，由此可知煅烧所得固体的活性差异。溶液变色的时间与各样品煅烧温度的关系如图所示。当温度高于℃时，煅烧所得固体易板结，活性降低；当温度低于℃时，活性降低的原因为_________________。将不同温度下的煅烧所得固体样品加入水中，也可测量其活性，则此时需测量的数据为相同时间后_________与样品煅烧温度之间的关系。

（1）CaO、MgO（2）煅烧温度较低，CaCO3未完全分解，CaO的含量偏低温度

（1）高温煅烧白云石得到CaO和MgO；

（2）煅烧温度较低，CaCO3未完全分解，CaO的含量偏低，所以活性降低；氧化钙和水反应放热，氧化钙含量越高与样品与水反应放出的热量越多，所以也可将不同温度下的煅烧所得固体样品加入水中，测量的相同时间后反应液的温度与样品煅烧温度之间的关系，来判断样品的活性。

4．灼烧：物质在高温条件下发生脱水、分解、挥发等化学变化的过程。反应温度在℃左右，使用的仪器比较多样如煤气灯、电炉等。灼烧海带、颜色反应、焰色试验、灼烧失重、灼烧残渣等。

碳、硫的含量影响钢铁性能。某兴趣小组用如下流程对钢样进行探究。

（1）钢样中硫元素以FeS形式存在，FeS在足量氧气中灼烧，生成的固体产物中Fe、O两种元素的质量比为21：8，则该固体产物的化学式为_____________。

（2）检验钢样灼烧生成气体中的CO2，需要的试剂是____________(填字母）。

a.酸性KMnO4溶液b.澄清石灰水c.饱和小苏打溶液d.浓H2SO4

（1）Fe3O4（2）ab

（1）生成的固体产物中Fe、O两种元素的质量比为21：8，则Fe、O两种元素的物质的量之比为：=，则该固体产物的化学式为Fe3O4；

（2）钢样灼烧生成气体中含有CO2和SO2，二氧化硫也能够使澄清石灰水变浑浊，因此需要用酸性KMnO4溶液反应除去二氧化硫后再用澄清石灰水检验。

5．浸取及浸出率：浸取的目的是把固体转化为溶液，以便于后继的转化或分离。包括水浸取、酸溶、碱溶、醇溶等。浸出率是指固体溶解后，离子在溶液中的含量的多少。

提高浸取率的措施：①将矿石研成粉末，提高接触面积；②搅拌，使反应更加充分；③当增大酸的浓度；④加热；⑤延长浸出时间

氯氧化铋(BiOC1)常用于电子设备等领域，BiOCl难溶于水，它是BiCl3的水解产物。以铋的废料(主要含铋的化合物，含少量铜、铅、锌的硫酸盐及Cu2S和Fe2O3等)为原料生产高纯度BiOCl的工艺流程如图：

（1）提高“酸浸”反应速率的措施有适当增加硫酸的浓度、_____________________(答出一点即可)。

（4）“浸铋”中，铋的浸出率与温度关系如图所示：

在高于40℃左右时“铋浸出率”开始下降，其主要因素可能是_______________。

（1）适当升高温度（4）HCl挥发加快，Bi3+水解程度增大

（1）提高“酸浸”反应速率的措施有适当增加硫酸的浓度、适当升高温度或进行搅拌等；

（4）在“浸铋”中，铋的浸出率与温度，根据图示可知：在温度接近40℃时Bi的浸出率最高，此后温度升高，浸出率反而降低，主要是由于温度升高，HCl挥发加快，且温度升高使Bi3+水解程度也增大，最终导致铋的浸出率随温度的升高而降低。

6．酸浸：酸浸是指把预处理得到的物料与酸(盐酸或硫酸)溶液进行反应，使物料中的碱性或两性氧化物转化为相应的盐、并用酸抑制该盐的水解同时除去不溶于该酸的杂质(如SiO2或CaSO4等)。

可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铈(Ce)主要以形式存在，还含有、、、等物质。以独居石为原料制备的工艺流程如下：

为提高“水浸”效率，可采取的措施有________________________________(至少写两条)

适当升高温度，将独居石粉碎等

聚硅酸铁是目前无机高分子絮凝剂研究的热点，一种用钢管厂的废铁渣(主要成分Fe3O4，含少量碳及二氧化硅)为原料制备的流程如下：

（1）废铁渣进行“粉碎”的目的是______________________。

（2）“酸浸”需适宜的酸浓度、液固比、酸浸温度、氧流量等，其中酸浸温度对铁浸取率的影响如图所示。

①加热条件下酸浸时，Fe3O4与硫酸反应的化学方程式为_________________________。

②酸浸时，通入O2的目的是______________________。

③当酸浸温度超过℃时，铁浸取率反而减小，其原因是________________________。

（1）增大接触面积，提高反应速率，提高铁元素浸取率

（2）Fe3O4+4H2SO4△(===)FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O将FeSO4氧化为Fe2(SO4)3温度超过℃，加快Fe3+水解生成Fe(OH)3，导致Fe3+浓度降低

（1）对废铁渣进行粉碎的目的是：减小颗粒直径，增大浸取时的反应速率和提高铁浸取率；

（2）①加热条件下酸浸时，Fe3O4与硫酸反应生成硫酸铁和硫酸亚铁，方程式为：Fe3O4+4H2SO4△(===)FeSO4+Fe2(SO4)3+4H2O；

②酸浸时有亚铁离子生成，通入氧气能将亚铁离子氧化为铁离子，发生反应的离子方程式为4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O；

③铁离子在水溶液中存在水解，温度升高有利于水解反应的进行，温度超过℃明显加快了Fe3+水解反应的速率，导致Fe3+浓度降低。

7．碱浸：洗去动植物油污，除去铝片氧化膜，溶解铝、二氧化硅（加碱量不宜过多）

锡酸钠可用于制造陶瓷电容器的基体、颜料和催化剂。以锡锑渣(主要含Sn、Sb、As、Pb的氧化物)为原料，制备锡酸钠的工艺流程图如下图所示:

（1）碱浸”时SnO2发生反应的化学方程式为___________________________。

（2）“碱浸”时，若Sn元素氧化物中SnO含量较高，工业上则加入NaNO3，其作用是_________________。

（1）SnO2+2NaOH=Na2SnO3+H2O（2）把SnO氧化为SnO32—

NaNO3具有氧化性，能将SnO氧化，“碱浸”时，若SnO含量较高，工业上则加入NaNO3，其作用是把SnO氧化成SnO32-，故答案为把SnO氧化为SnO32—。