備戰2022年高考化學－工藝流程專項複習系列
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，由難浸出的化合物或單質轉變成易浸出的化合物
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磨成粉末或將液體分散成微小液滴，增大反應物間接觸面積（作用），以加快後續操作反應速率（作用），進而增大原料的轉化率或浸取率（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。實驗室嘗試對廢舊鈷酸鋰電池回收再利用。實驗過程如下：
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。
【習題】連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)是印染工業的一種常用原料，連二亞硫酸鈉又稱保險粉，可溶於水，但不溶於甲醇，其固體受熱、遇水都會發生反應放出大量的熱，甚至引起燃燒，工業製備流程如下：
向液鋅中鼓入M氣體，使液態鋅霧化，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，使液態鋅霧化，目的是減小鋅的顆粒，使單質鋅的表面積增大，以增大其與反應物的接觸面積，加快反應速率。
【習題】粉煤灰是燃煤電廠的廢渣，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和C等。實驗室模擬工業從粉煤灰提取活性Al2O3，其流程如圖：
已知燒結過程的產物主要是：NaAlO2、Ca2SiO4、NaFeO2和Na2SiO3等。
操作a為冷卻、研磨，其中研磨的目的是__________________________。
【答案】提高燒結產物浸出率
【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，提高燒結產物浸出率。
2．焙燒：反應物與空氣、氯氣等氧化性氣體或其他新增進去的物質（如硫酸）發生化學反應（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，為避免物質融化反應溫度一般低於熔點，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氧化物逸出或氧化成高價態化合物; 二為金屬元素被氧化為高價態氧化物或高價態化合物。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係、焙燒中的化學反應等入手。
工業上可以透過增加氧氣的量、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】工業上以鉻鐵礦(FeCr2O4，含Al、Si氧化物等雜質)為主要原料製備紅礬鈉(Na2Cr2O7•2H2O)的工藝流程如圖。回答下列問題：
焙燒的目的是將FeCr2O4轉化為Na2Cr2O4並將Al、Si氧化物轉化為可溶性鈉鹽，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，提高反應物轉化率。
【習題】氯化銨焙燒菱錳礦製備高純度碳酸錳的工藝流程如下：
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：
焙燒溫度_________，氯化銨與菱鎂礦粉的質量之比為__________，焙燒時間為___________.
【答案】（1）MnCO3+2NH4Cl△(===)MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O （2）500℃ 1.10 60min
【解析】（1）“焙燒”時發生的主要化學反應方程式為：MnCO3+2NH4Cl△(===)MnCl2+2NH3↑+CO2↑+H2O；
（2）根據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量比為1.10；焙燒時間為60min。
【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，生產氧化鋁並獲得Fe3O4的部分工藝流程如圖所示。
（1）焙燒過程均會產生SO2，用NaOH溶液吸收過量SO2的離子方程式為_____________________。
（2）新增1%
和不新增
的礦粉焙燒，其硫去除率隨溫度變化曲線如圖所示。
已知：多數金屬硫酸鹽的分解溫度都高於
；
。
①不新增CaO的礦粉在低於500℃焙燒時，去除的硫元素主要來源於____________(填化學式)。
②700℃焙燒時，新增1%CaO的礦粉硫去除率比不新增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FeS2和金屬硫酸鹽，而已知多數金屬硫酸鹽的分解溫度都高於
，如果不新增CaO的礦粉在低於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新增的CaO吸收
生成
，
易被空氣中的氧氣氧化為
，根據“多數金屬硫酸鹽的分解溫度都高於
”，可知
時
可能未分解或未完全分解而留在礦粉中，從而導致新增1%
的礦粉硫去除率比不新增
的礦粉硫去除率低，故答案為硫元素轉化為
而留在礦粉中。
3．煅燒：反應物受熱分解或發生晶形轉變，為避免融化溫度低於熔點，但大多高於1200℃。如煅燒石灰石、生產玻璃、打鐵等，使用的化工裝置如迴轉窯。
【習題】以白雲石（主要成分為CaCO3和MgCO3）為原料製備氧化鎂和輕質碳酸鈣的一種工藝流程如下：
（1）白雲石高溫煅燒所得固體產物的主要成分為_________________________（填化學式）。
（2）煅燒所得固體的活性與其中CaO含量及固體疏鬆程度有關。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係如圖所示。當溫度高於950 ℃時，煅燒所得固體易板結，活性降低；當溫度低於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，則此時需測量的資料為相同時間後_________與樣品煅燒溫度之間的關係。
【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）高溫煅燒白雲石得到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，測量的相同時間後反應液的溫度與樣品煅燒溫度之間的關係，來判斷樣品的活性。
4．灼燒：物質在高溫條件下發生脫水、分解、揮發等化學變化的過程。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、硫的含量影響鋼鐵效能。某興趣小組用如下流程對鋼樣進行探究。
（1）鋼樣中硫元素以FeS形式存在，FeS在足量氧氣中灼燒，生成的固體產物中Fe、O兩種元素的質量比為21：8，則該固體產物的化學式為_____________。
（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） 生成的固體產物中Fe、O兩種元素的質量比為21：8，則Fe、O兩種元素的物質的量之比為
：
=
，則該固體產物的化學式為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後再用澄清石灰水檢驗。
5．浸取及浸出率：浸取的目的是把固體轉化為溶液，以便於後繼的轉化或分離。包括水浸取、酸溶、鹼溶、醇溶等。浸出率是指固體溶解後，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) 常用於電子裝置等領域，BiOCl 難溶於水，它是BiCl3的水解產物。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)為原料生產高純度BiOCl的工藝流程如圖：
（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係如圖所示：
在高於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，根據圖示可知：在溫度接近40℃時Bi的浸出率最高，此後溫度升高，浸出率反而降低，主要是由於溫度升高，HCl揮發加快，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。
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，使物料中的鹼性或兩性氧化物轉化為相應的鹽、並用酸抑制該鹽的水解同時除去不溶於該酸的雜質( 如 SiO2 或 CaSO4 等) 。
【2021湖南卷17】
可用於催化劑載體及功能材料的製備。天然獨居石中，鈰(Ce)主要以
形式存在，還含有
、
、
、
等物質。以獨居石為原料製備
的工藝流程如下：
為提高“水浸”效率，可採取的措施有________________________________(至少寫兩條)
【答案】適當升高溫度，將獨居石粉碎等
【習題】聚矽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，含少量碳及二氧化矽)為原料製備的流程如下：
（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，Fe3O4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，Fe3O4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，溫度升高有利於水解反應的進行，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。
7．鹼浸：洗去動植物油汙，除去鋁片氧化膜，溶解鋁、二氧化矽（加鹼量不宜過多）
【習題】錫酸鈉可用於製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，製備錫酸鈉的工藝流程圖如下圖所示:
（1）鹼浸”時SnO2發生反應的化學方程式為___________________________。
（2）“鹼浸”時，若Sn元素氧化物中SnO含量較高，工業上則加入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，“鹼浸”時，若SnO含量較高，工業上則加入NaNO3，其作用是把SnO氧化成SnO32-，故答案為把SnO氧化為SnO32—。
