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(共21张PPT)
工程师视角下化学工艺流程的系统设计
第2课时 分离提纯篇
单元主题：无机化工生产工艺
钴在新能源、新材料领域具有重要用途。某炼锌废渣含有铅、铜、铁、锰、锌、钴的+2价氧化物及锌和铜的单质。从该废渣中提取钴的一种流程如下。
设计任务
学习目标
1、利用教材概括分离提纯常见方法，明确“依据物质性质差异选取方法”的核心。
5、以炼锌废渣提取钴为例，结合矿石杂质和目标元素的性质差异来设计并优化除杂方案。
2、结合粗盐提纯案例，梳理并掌握工艺流程中分离提纯环节的设计思路。
3、结合历年山东卷高考题，归纳真实情境中常见杂质元素的种类，引导学生了解常见杂质元素在真实情境中的转化规律。
4、借助元素周期表预测钴元素的性质，引导学生分析目标元素，为分离提纯方法的选择奠定基础。
01
详探分离提纯，掌握方法、流程
1、查阅高中化学教材，汇总常见分离提纯的方法
教材页码 实例或题目 加入试剂 分离/提纯方法 分离/提纯原理
结合分离提纯的原理思考：选择分离提纯方法的依据是什么？
选择分离提纯方法时，要综合考虑杂质与目标元素之间的性质差异
溶解性差异
--过滤
--结晶(控温、控水)
--萃取
密度差异--分液
熔沸点差异--蒸馏
吸附性差异
--离子交换树脂
--
--
金属活动性差异
--除去FeSO4溶液中CuSO4
离子沉淀pH差异
--CuCl2溶液(FeCl3)
氧化性还原性差异
--FeCl2溶液(FeCl3)
热稳定性差异
络合反应活性差异
性质差异越大，分离提纯的效果越好
B
将Fe3+转化为Fe2+
C
2、结合典例粗盐提纯，梳理流程设计的基本思路
NaOH
Na2CO3
BaCl2
HCl
HCl
Na2CO3
分析物质组成
对比性质差异
选择除杂试剂
除去引入新杂
确定操作流程
钴在新能源、新材料领域具有重要用途。某炼锌废渣含有铅、铜、铁、锰、锌、钴的+2价氧化物及锌和铜的单质。从该废渣中提取钴的一种流程如下。
分离提纯环节具体任务：保留Co，除去铜、铁、锰、锌等杂质元素
分析物质组成
02
精研矿石杂质，尽知细节
1、分析山东卷高考真题，完成下列表格填空
山东高考真题 原始材料 目标元素 杂质元素 简要叙述每种元素的分离提纯策略
2024年
2023年
2022年
2021年
2020年 软锰矿 Mn Fe、Al、S、Ba 铁元素：酸解、氧化、调pH，转化为Fe(OH)3沉淀，经压滤除掉
铝元素：酸解，调pH，转化为Al(OH)3沉淀，经压滤除掉
硫元素：经软锰矿粉氧化转化为S沉淀，酸解后过滤除掉
钡元素：经软锰矿粉反应后转化为Ba(OH)2溶解在水中，过滤后 与目标元素分离
一般第四
周期
为主
一般
所学典型元素
①利用氧化还原反应分离提纯
②利用非氧化还原反应分离提纯
③通过形成配合物分离提纯
④直接通过结晶等物理手段来分离提纯
简要叙述每种元素的分离提纯策略
简要叙述每种元素的分离提纯策略
简要叙述每种元素的分离提纯策略
每种元素分离提纯的策略
①利用氧化还原反应分离提纯
Fe元素—将Fe2+氧化成Fe3+，调节pH沉淀Fe3+为Fe(OH)3（2020年）
—通氧气并加碳酸钠焙烧，转化为Fe2O3，过滤除去（2021年）
S元素—经FeCl3或软锰矿氧化为S，经过滤除去;(2024年、2020年)
②利用非氧化还原反应分离提纯
Mg元素—浓缩结晶，促进Mg2+水解，以MgO形式过滤除去（2023年）
加入生石灰，以Mg(OH)2形式过滤除去（2023年）
Ca元素—酸解时转化CaSO4沉淀，过滤除去（2022年）
F元素—酸解，形成HF尾气除去（2022年）
Si元素—酸解时SiO2与HF形成H2SiF6，加碳酸钠转化为Na2SiF6沉淀(2022年)
③通过形成配合物分离提纯
Pb元素—热浸时转化为[PbCl4]2-，稀释冷却转化为PbCl2过滤除去（2024年）
Ag元素—热浸时转化为[AgCl2]-，过量pb置换转化为粗Ag,经电解精炼为精银（2024年）
④直接通过结晶等物理手段来分离提纯
Na+、Cl-或Na+、SO42-—蒸发结晶，过滤除去（2022年、2024年）
03
锁定目标元素，预查性质
利用元素周期表预测钴元素性质，画出钴元素的价类二维图，并用箭头标注转化关系。查阅资料，验证以上预测。
实现钴与铁元素
类：可以利用沉淀的溶解性差异
价：可以利用氧化性或还原性差异
04
设计除杂方案，深耕优化
炼锌废渣
酸浸
分离提纯
沉钴
滤液
Co(OH)3
钴在新能源、新材料领域具有重要用途。某炼锌废渣含有铅、铜、铁、锰、锌、钴的+2价氧化物及锌和铜的单质。从该废渣中提取钴的一种流程如下。
请同学们结合资料卡片以及目标和杂质元素的性质差异，相互讨论，选择合适的除杂试剂并合理分析除杂顺序，尝试设计分离提纯环节的具体流程（用流程图表示）。
硫酸
滤渣
分离提纯环节的具体任务：保留Co，除去铜、铁、锰、锌等杂质元素
杂质线
试剂线
操作线
资料卡片2：锰元素在溶液中可通过不同反应形成多种沉淀，常见的有氢氧化物、硫化物，还可形成二氧化锰（MnO2）。若要将溶液中的Mn2+转化为MnO2沉淀，需加入合适的氧化剂，目前常用的氧化剂包括过二硫酸钠（Na2S2O8）、酸性条件下的过氧化氢(H2O2）、铋酸钠（NaBiO3）等。
实验研究表明：上述氧化剂与含Mn2+、Co2+的混合溶液反应时，能与Mn2+发生明显反应生成新物质，但与Co2+混合后，溶液无明显变化，未检测到Co2+的价态或存在形式发生改变。
资料卡片1：
矿物资源
海水资源
工业废料
原料预处理阶段
除杂与分离阶段
目标产物生成阶段
产品
湿法
火法
氧化剂
还原剂
酸浸
碱浸
盐浸
水浸
焙烧
煅烧
灼烧
氧化剂
还原剂
富集
研磨/粉碎/搅拌
按照性质差异
选择分离提纯法
蒸发 结晶 过滤
萃取 分液 蒸馏
盐析 洗气 沉淀法
离子交换树脂
流程设计
基本思路
分析物质组成
对比性质差异
选择除杂试剂
除去引入新杂
确定操作流程
课堂小结
课后作业
任务：
1、该流程中是如何除去Fe、Ca、Si杂质元素，并实现Cu、Co、Mn元素分离的？
2、查阅资料，找出至少2种从不同原料（如含钴矿石、废旧锂电池、废催化剂）中提取钴的工艺流程，分析不同工艺在核心分离提纯步骤选择上的区别，尝试解释选择该分离提纯方式的原因。

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