一组有关工业流程的原创题
张新中
(江苏省邗江中学，江苏邗江225012)
文章编号：1005-6629(2011_)02—0049—04中图分类号：G632．479文献标识码：B
1有关化工生产的工艺
同一种物质的生产可以采用不同的方法，但都
以是否充分利用资源、简化工艺流程、提高产率、增
大效益、减少污染等作为工业生产的追求目标，也是
科学研究的方向。
[第1题】近年来，硫化铜矿的湿法冶炼已经取得
了很大的进展。现有一种催化氧化酸浸硫化铜矿的
湿法冶炼法，其工艺流程如图1所示：
滤液
催
图1CuS矿湿法炼铜工艺流程示意图
温度、固液比、反应时间、氯离子浓度都对铜的
浸出率有较大的影响，下面是实验得出的这几种因
素对铜的浸出率影响的变化曲线图(如图2一图5所
示)。
反应温度／''C
图2铜的浸出率随反应温度的变化关系
回答下列问题：
(1)火法炼铜的主要反应为：在800oC时将黄铜
矿在氧气中燃烧2CuFeS2“02一Cu2S+3S02+2FeO
(炉渣)；产物Cu2S在1200。C高温下继续反应：2Cu2S+
302=2Cu20+2S02；2Cu20+Cu2S=6Cu+S02T；电解精
炼，则由1molCuFeS2生成lmolCu，上述共消耗
化学教学2011年第1期
——mol02。在反应2Cu20+CUES6Cu+S02t中，氧化剂为——，当有0．3
moldg子转移时，
生成SO：的体积为(标准状况)。
固液比
图3铜的浸出率随不同固液比的变化关系
反应时间m
图4铜的浸出率随反应时间的变化关系
c(C1。)／(tool‘L“)
图5铜的浸出率随氯离子浓度的变化关系(2)写出反应1的化学方程式——；
该湿法炼铜与火法炼铜相比，优点是一。(3)从溶液中得到FeSO。·7H20的操作是
团p1．H
一
7‘：：上滢恢丁卜
一
澈
万方数据
：实验时常用乙醇洗涤此晶体，优点是——。
(4)根据实验以及工业生产的实际要求，从表1
中得出的最佳工艺条件为——。
表1
c(C13／反应温度，℃固液比反应时间，Il
mol·L-1
A100l：5．50．77
B95l：5O．86
CllO1：60．98
解析：(1)将题给的三个方程式合并得：2CuFeS：
+502—2Cu+4S02+2FeO，当CuFeS2为1tool时，02为
2．5tool。根据化合价变化可知，Cu：0和Cu2s中Cu的
化合价都降低，故它们都是氧化剂。生成1molSO：
转移6mol电子，当有0．3mol电子转移时，生成SO：为
0．05mol，体积为1．12“标准状况)。
(2)火法炼铜中产生有毒的SO：气体，而湿法炼
铜中不产生有毒气体，故其污染小，环保。同时湿法
炼铜中还得到副产品硫酸亚铁及硫磺。充分利用了
资源。
(3)FeS04．7H：0受热易失去结晶水，故从溶液
中得到晶体的操作应是蒸发浓缩、冷却结晶、过滤。
又因该晶体易溶于水．故不能用水洗涤，需用乙醇洗
涤，不仅可以洗去晶体表面的水和杂质离子．还可以
减少晶体的损失。
(4)从图2可以看出：浸出率随反应温度升高而
增大．在温度到达95℃后，浸出率随温度的变化不
明显，但是温度过高，能耗增加。由此可知适宜的反
应温度为95℃。从图3可以看出：固液比大于1：5时，
铜的浸出率随固液比减小而有所增大；固液比小于
1：5．铜的浸出率随固液比的减小而有所下降。因此
适宜固液比为1：5。从图4可以看出：浸出率随反应时
间的延长而增大，但在反应时间超过6h后，随反应
时间的延长浸出率变化很缓慢，同时反应时间过长，
既增加能耗，又降低设备利用率，故适宜的反应时间
为6h。由图5可以看出：加入氯离子能改善铜的浸出
效果．但是氯离子浓度超过0．8tool·L‘1后，铜的浸出
率随氯离子浓度的增加反而下降，故适宜的氯离子
浓度应维持在O．8tool·L-1。
答案：(1)2．5，Cu20、Cu2S，1．12L；(2)2CUS+02+
2H2S0：2CuS04+2H20+2S污染小，同时得到副产
品硫酸亚铁及硫磺，资源得到充分利用。
(3)蒸发浓缩、冷却结晶、过滤，洗去晶体表面
的水和杂质离子，同时减少晶体的损失；(4)B
·50·
[第2题】黄铜矿的湿法冶金技术，主要包括直接
酸浸、氧化焙烧浸出、硫酸化焙烧浸出。工业用惰性
电极电解生产铜的流程图如图6所示：
精
硫酸铁和硫酸(阳极区)
幽6
当向溶液中加入精矿粉(不考虑黄铜矿中的其
他杂质)后，发生的反应主要有：
CuFeS2+4H+=Cu2++FeZ++2HzS．2Fe3++H2$；=2FEE++
SJ，+2H+
试回答下列问题：
(1)电化浸出时，阴极的电极反应式为
．通入空气的作用是
(用离子方程
式表示)。
(2)若忽略硫酸铁的其他损耗，理论上在反应中
——(填“需要”或“不需要”)补充硫酸铁，原因是
(3)浸出液必须趁热过滤，主要原因是——。
(4)浸出过程中常加入NaCI，一方面可以提供
Cl-，解决硫包裹问题，抑制铜矿粉氧化过程中的钝
化。另一方面可以增加溶液中H+的活性和
(5)若电解200mL1mol·L。1的硫酸铜溶液，当
生成6．4g铜时，溶液的pH=(假设溶液的体
积没有变化)，此时溶液中的离子浓度大小顺序为
解析：(1)溶液中的阳离子有Cu2+、Na+，故在阴极
放电的是Cu“。由于阴极区通入空气，溶液中还存在
硫酸。故阴极上的铜在空气和催化剂的协同作用下
溶解于稀硫酸中：2Cu+02+2H2s04-2CuS04+2H20。
(3)溶液中存在较多的硫酸铜，当温度降低后。
其溶解度降低，容易析出，则会影响铜的产量
(5)2CuS04+2H20』坚2Cu+02t+2H2s04
O．1mol0．1tool0．1tool
C(H+)=0．2tooI／0．2L=Imol·L-1，oH--0
化学教学2011年第2期万方数据
溶液中存在CuS04：0．2mol一0。1tool=0．1m01．
H：50。：0．1m01．由于Cu“会发生水解。故溶液中的离
子浓度大小顺序为C(SOf)>c(H+)>c(Cu“)>c(OH-)。
答案：(1)Cu2++2e-=Cu；2Cu+02+4H+=2Cuv’+2H20
(2)否；Fe“被还原后得至lJFe“，在阳极失去电子
后再生为Fe卦。实现了浸出剂循环
(3)防止硫酸铜晶体析出
(4)增强溶液的导电性
(5)0；C(SO产)>c(H+)>c(Cu“)>c(OH一)
2有关化工材料制备的原创题
化工材料与生产生活有着密切联系，制备新物
质、提高物质的纯度，无论是在军事上还是在民用生
产中都有非常重要的作用。
【第3题】四氧化三铁(Fe，04)是一种重要的尖晶石
类铁氧体，是应用最为广泛的软磁性材料之一．常用
作记录材料、颜料、磁流体材料、催化剂、磁性高分子
微球和电子材料等。其在生物技术领域和医学领域
亦有着很好的应用前景。共沉淀法是目前制备纳米
Fe，0。的重要方法．其流程如图7所示：眦Q．Ⅷ20二=癸鼍滤銎黼。nF
eCI，·6HzO_+溶液BJ，u～卿o''L
滤液
(1)保存溶液A时，需加入
作用是
(2)为了得到较纯净的纳米Fe，O。，FeSO。与FeCl，
的物质的量之比最好应为——，在此条件下，检验
Fe30。是否沉淀完全的实验操作是
(3)写出制备纳米Fe，O。的离子方程式——。
(4)共沉淀法的主要不足是：①得到的Fe，04纳
米粒子间存在非常严重的团聚现象。②。
(5)磁流体是电子材料的新秀，它既具有固体的
磁性，又具有液体的流动性。下列有关纳米Fe，O。磁
流体的说法中不正确的是
A．所得的分散系属于溶液
B．所得分散系可以通过渗析法得到较纯的分散
质
C．当一束可见光通过该分散系时会出现光亮的
通路
D．该分散系比较稳定
解析：(1)Fe“易被氧化为Fe3+，同时也易发生水
解反应。
(2)若没有沉淀完全，则会有Fe3+存在，检验Fe¨
化学教学2011年第1期
的存在用KSCN溶液最好，检验时一定要取上层清
液，检验现象才能明显。
(3)Fe2++2Fe3++80H-=Fe304Jr+4H20
(4)Fe“极易被氧化为Fe“，很难准确控制Fez+与
Fe3+的比例为l：2，致使产物存在杂质。
(5)磁流体的分散质粒子直径在5．5～36nm之
间，故所得的分散系属于胶体，A错误：胶体不能透
过半透膜，故可以渗析法进行提纯，B正确：胶体具
有丁达尔效应，C正确；胶体比较稳定，D正确。
答案：(1)硫酸和铁粉防止FeSO。水解，防止
Fe2+被氧化为Fe如。
(2)1：2；取少量上层清液，滴))11KSCN溶液，若不
出现血红色，表明沉淀完全。
(3)Fe～2Fe～80H!Fe304上+4H20
(4)Fe“极易被氧化为Fe“．很难准确控制Fez+与
Fe“的比例为1：2，致使产物存在杂质。
(5)A
[第4题】氧化镁主要用作制备陶瓷、搪瓷、耐火
坩锅和耐火砖的原料。医药上可用作抗酸剂，用于治
疗胃酸过多和十二指肠溃疡病。工业制取高纯氧化
镁的工艺流程如图8所示：
卤水—．{匡国—．4卫圈一A墼氧化镁碳五钠矗薄咽塑蛔一霆
碳酸氢钠I蔓婆整国—叫坌塞I竺坐兰!坚剖鉴璧l—卜瑶
J．I母液II镁物质B．-匦乎丹匮
物质c+卧囱i母液In
图8
原料卤水中含有M矿、Na+、cr、s042-。
(1)表2是反应温度对产品质量的影响情况：
表2
l温度，℃3040506070
w(MgO)／％97．7597．5697．8699．1399．01
由此可知，反应最适宜的温度为——，原因可能是——
(2)A的成分是
的操作和现象是
(3)物质B的主要成分为
要成分为
，确定A已洗涤干净
。物质C的主
(4)写出碱式碳酸镁生成MgO的化学方程式
·51·万方数据
[考试研究卜———————————————————————————————————一’、．．．．．．．．．．．。—_／
解析：(1)溶液中存在M矛+、HCO，一，结合(3)试验用的原料中V20，约占6％(原料中的所
Ca(HC03)：的性质，可以推测Mg(HC03)：易分解成有钒已换算成V20s)。取100g此废钒催化剂按工业
MgCO，，使镁从溶液中沉淀出来，再煅烧生成Mgo。生产的步骤进行实验，当加入100mL1mol-L。1的
(2)溶液中存在Na+、Cl一、S042-等离子，故只要检KCIO，溶液时，溶液中的钒恰好被完全处理，以后各
验滤液中是否存在这些离子即可。步钒没有损失，则该工业生产中钒的回收率是
(3)硫酸钠的溶解度随温度的变化比较大，而氯
化钠的溶解度随温度的变化比较小。因而应先析出
硫酸钠，再蒸发结晶得到氯化钠。
答案：(1)60oC；此温度下Mg(HC03)2易分解，提
高MgO的产品质量
(2)MgC03；取最后一次洗涤液，加入少量BaCl2
溶液，若无沉淀生成则已洗涤干净。
(3)硫酸钠；氯化钠。
(4)M92(OH)2c03尘兰2MgO+C02t+H20
3有关工业废料回收的原创题
工业生产的废料中存在很多有用物质，若进行
回收利用，既可消除污染又能实现综合利用，达到变
废为宝的目的。
【第5题】在生产硫酸的钒废催化剂中，一部分钒
仍以V205形式存在，还有部分以VOSO。形式存在，约
占总钒的30％～70％。工业上对废钒催化剂回收处
理，其工艺流程如下：
l-hO无水r4a2s03H2S04
V205NI-hCtKCl03
图9
滤猹
制砖
回答下列问题：
(1)为了提高钒的浸出率，用酸浸使催化剂中的
V20，先转变成可溶于水的VOSO。，生成的VOSO。很易
进入浸出液，经分离净化后与水浸液合并，再用氯酸
钾氧化，使四价V氧化成可溶于水的(V02)2S04，请写
出这两个反应的离子方程式
(2)力11入适量的NH4Cl，钒以偏钒酸铵(NH4VO，)
的形式沉淀析出，经过滤、焙烧可得到红棕色产品
V20s。在整个工业生产中没有涉及到的反应有
·52·
A．化合反应
C．复分解反应
O
B．分解反应
D．置换反应
(4)V：O，能与盐酸发生反应。60mL浓度为10
mol·L-1I拘HCI溶液。与18．2gl鬟JV205恰好完全反应，生
成2．24L(标准状况)氯气，则生成物中V的存在形式为——(写化学式)。
解析：(1)由图9可知，酸浸时的反应物为
Na2S03、H2SO。和V205，生成物为可溶于水的VOSO。，
此为第一个反应；然后VOSO。进入浸出液，用氯酸钾
氧化，生成可溶于水的(V02)2S0。，此为第二个反应。
(2)沉钒反应是复分解反应，焙烧是分解反应。
(3)根据钒守恒得：KCl03—6V02匕3V205，则回收
到的m(V205)=3x0．1Lxlmol·L—x182g·mol。1=5．46g，故钒的回收率是淼X100％=91％。
(4)n(V20s)=矗备=o．1mol''几(el：)=
乏河2i．24面L=0．1mol，设反应后V的化合价为x，根
据电子得失守恒得：0．1molx2=0．1molX2(5一x)，
贝llx=+4。又知n(H+)=O．06Lxl0mol·L-1=0．6m01．
儿(O)总=0．1molx5=0．5mol，两者可以形成H200．3
mol，则必然还有0．2mol的0元素存在V的化合物中，
溶液中还有n(C1一)=O．6mol一0．1molx2=O．4mol，则凡
(V)：n(O)：n(C1)=l：l：2，故可知V的存在形式为VO．
C12或VO“。
答案：(1)V205+S03铂H+=2V02++S04～2H20
C103-+6V02++3H20=6V02++6H++CI一
(2)A、D；(3)91％；(4)VOCl2或VO“
参考文献：
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【3】邹海平等．沉淀法制备纳米氧化铁的研究进展Ⅱ】．无机盐工业，
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