例谈“化学工艺流程”题中化学反应条件控制
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【摘 要】近几年，以现代化工生产为背景的“化学工艺流程”题已成为理综化学试卷的主流题型，“化学工艺流程”题中涉及很多的化学反应，这些化学反应都需要在一定条件下进行，因此，化学反应条件的控制是决定生产效益高低和产品是否纯净的关键环节。下面是结合高考复习备考和高考真题的研究，反思总结得出的“化学工艺流程”中化学反应条件的控制之pH控制的几种情况，通过典型例子对反应条件控制之pH控制的原理、方法及作用进行简单的分析，力求突破“化学工艺流程”题中pH控制的瓶颈，提高学生的化学工程素养和“化学工艺流程”题的得分。
【关键词】工艺流程;化学反应;条件控制;Ph
【中图分类号】G632.41 【文献标识码】A
【文章编号】2095-3089（2019）16-0267-02
一、促使某些离子水解形成氢氧化物而被除去
根据不同金属阳离子完全沉淀的pH数据，改变溶液的pH使之处于某范围内，使杂质金属离子沉淀，并确保所需要的金属离子依旧存留在溶液中。这一点，在2015年新课标全国II卷第26题第（4）问中有很好的体现：由于Fe2+沉降时要求的溶液pH较高，或与一些其他离子沉淀pH范围重叠，一般是加入H2O2、酸性高锰酸钾溶液、氯水等氧化剂将其氧化成易沉降的Fe3+。
例题1：（2015年新课标全国卷Ⅱ第26题第（4）问）酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。有关数据如表所示：
回答下列问题：
（4）用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O的过程中，需除去锌皮中的少量杂质铁，其方法是加稀H2SO4和H2O2溶解，铁变为〖CD#2〗，加碱调节至pH为〖CD#2〗时，铁刚好沉淀完全（离子浓度小于1×10-5mol·L-1时，即可认为该离子沉淀完全），继续加碱至pH为〖CD#2〗时，锌开始沉淀（假定Zn2+浓度为0.1mol·L-1）。若上述过程不加H2O2后果是〖CD#2〗，原因是〖CD#2〗。
解析：铁溶于稀硫酸生成Fe2+，Fe2+被双氧水氧化为Fe3+。若直接加入碱溶液，则Fe2+、Zn2+、Fe3+都可能沉淀出来，因此，只能利用水解程度的不同，通过调节pH，利用盐类水解原理除杂。Ksp[Fe（OH）3]=c（Fe3+）·c3（OH-）=10-39，则铁刚好完全沉淀时，c（OH-）=〖KF（S〗3〖〗〖SX（〗10-39〖〗10-5〖SX）〗〖KF）〗 mol·L-1≈4.64×10-12 mol·L-1，则c（H+）=〖SX（〗10-14〖〗4.64×10-12〖SX）〗 mol·L-1≈2.16×10-3 mol·L-1，pH=2.7;Ksp[Zn（OH）2]=c（Zn2+）·c2（OH-）=10-17，则锌开始沉淀时，c（OH-）=〖KF（〗〖SX（〗10-17〖〗0.1〖SX）〗〖KF）〗 mol·L-1=10-8 mol·L-1，则，c（H+）=〖SX（〗10-14〖〗10-8〖SX）〗 mol·L-1=10-6 mol·L-1，pH=6;Zn（OH）2和Fe（OH）2的Ksp相近，若不加H2O2，沉淀Zn2+的同时Fe2+也会沉淀，从而使Zn2+和Fe2+不能分离。
二、抑制某些离子的水解，防止产品混入杂质而不纯
像盐酸盐、硝酸盐溶液，通过结晶方法制备晶体或加热脱水结晶水合物制备相对应的无水盐时，由于水解生成的盐酸或硝酸挥发，促使了金属离子水解（水解反应为吸热反应）导致产品不纯，因此要从盐酸盐、硝酸盐溶液中获得固体时这就需要在酸性氛围中加热来抑制其水解。
例2.（2011年江苏卷第16题节选）以硫铁矿（主要成分为FeS2）为原料制备氯化铁晶体（FeCl3·6H2O）的工艺流程如下：
〖XC77.JPG;%30%30〗
酸溶及后续过程中均需保持盐酸过量，其目的是提高铁元素的浸出及〖CD#3〗。
解析：氧化后溶液为FeCl3溶液，发生水解反应FeCl3+3H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）3+3HCl，蒸发浓缩时温度升高使水解平衡正向移动，同时生成的HCl易挥发，使产品混入Fe（OH）3，保持盐酸过量可抑制FeCl3的水解，确保氯化铁晶体的纯度。
三、控制盐水解反应进行的程度
Fe3+、Al3+、Cr3+、Ti4+等离子由于所带电荷数多，半径小，易发生强烈的水解反应。在中学教材中，它们水解的离子方程式都做了简化处理，如Fe3+水解：Fe3+ +3H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）3+3H+;其实Fe3+在溶液中水解可分三步：
Fe3++H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）2++H+
Fe（OH）2++H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）+2+H+
Fe（OH）++H2O〖FY（KN〗〖FY）〗Fe（OH）3+H+ ，依据人们需要可通过控制溶液的pH得到水解程度不同的产物。
例3.（2014年江苏卷第16题节选）烟气脱硫能有效减少二氧化硫的排放。实验室用粉煤灰（主要含Al2O3、SiO2等）制备碱式硫酸铝[Al2（SO4）x（OH）6—2x]溶液，并用于烟气脱硫研究。
〖XC78.JPG;%30%30〗
加CaCO3调节溶液的pH至3.6，其目的是中和溶液中的酸，并使Al2（SO4）3转化为Al2（SO4）x（OH）6—2x。滤渣Ⅱ的主要成分为〖CD#4〗（填化学式）;若溶液的pH偏高，将会导致溶液中铝元素的含量降低，其原因是〖CD#6〗（用离子方程式表示）。
解析：制备碱式硫酸铝[Al2（SO4）x（OH）6—2x]溶液的原理，就是加入CaCO3消耗酸性溶液中的H+，使溶液pH升高，Al2（SO4）3发生一定程度的水解反应，把握这个的关键是调节溶液pH=3.6。若溶液的pH過低，水解受到抑制;pH偏高，Al2（SO4）3水解过度以致生成难溶于水的Al（OH）3，就会导致Al2（SO4）x（OH）6—2x中的x减小，即溶液中铝元素的含量降低。
综上所述，“学工艺流程”题离不开化学反应，而化学反应又离不开反应条件，所以，运用平衡移动原理，氧化还原反应原理、电化学原理等，科学实施条件控制，目的就是使化学反应向着对人们有利的方向转化，同时，也是保证生产安全、提高综合经济效益和增强可持续发展能力的重要支撑点，通过研读工艺流程中化学反应的条件选择原理和控制手段，可以体验探究问题的思维历程和增强解决问题的能力。
参考文献
[1]王卫东.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，2011.
[2]刘雪暖，汤景凝.化工原理课程设计.北京：石油大学出版社，2008.
作者简介：严仕军 （1988.5-）， 男， 云南楚雄 ，云南省开远市第一中学校 ， 一级教师， 高中化学。
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