聯招化學·工藝流程（一）：浸出與除雜

題目性質：自編仿真題——按課程標準與聯招常見考點範圍編寫，非真題原文；解析與採分點為教研整理，非官方試題與官方評分標準。

一、讀流程的三條起手式

① 先讀原料表：目標元素是誰、雜質有哪些（本題：含 CuO 的礦石，雜質 Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃）；② 每一步只問兩件事：加進去什麼、走出去什麼（濾渣還是濾液裡是目標物）；③ 除雜鐵律：不引入新雜質、不損失目標物、雜質要變成易分離的相（沉澱或氣體）。另外「過量」「少量」「調 pH 到某範圍」「加熱/攪拌/粉碎」都是命題人埋的採分點，看到就圈。

簡化流程（自編）：礦石（CuO、Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂）→ ①稀硫酸浸出、加熱並攪拌 → 過濾（濾渣Ⅰ）→ ②調 pH、加氧化劑 → 過濾（濾渣Ⅱ）→ 濾液（含 Cu²⁺）→ 後續結晶得產品。

二、題1 浸出：試劑與浸出率

題目　(1) 寫出 CuO、Fe₂O₃、Al₂O₃ 與稀硫酸反應的離子方程式，指出濾渣Ⅰ的主要成分。
(2) 說明「粉碎礦石、加熱、攪拌」對浸出的作用。
(3) 若改用鹽酸浸出，是否合適？說明理由。

(1) 規範作答

CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂O；Fe₂O₃ + 6H⁺ = 2Fe³⁺ + 3H₂O；Al₂O₃ + 6H⁺ = 2Al³⁺ + 3H₂O。
SiO₂ 不與稀硫酸反應，故濾渣Ⅰ主要為 SiO₂（及未反應的惰性脈石）。

(2) 規範作答　粉碎→增大接觸面積；加熱→加快反應速率（並適當提高溶解度）；攪拌→使固液充分接觸、加快傳質。三者共同提高浸出率並使反應更充分。注意：加熱不能無限提高——溫度過高會增加能耗、可能使酸揮發或導致後續雜質溶出增多，答題時若問「為什麼不繼續升溫」要答到這一點。

(3) 規範作答　不合適。鹽酸會引入 Cl⁻，而後續工序若有氧化步驟（如用氧化劑處理）或電化學工序，Cl⁻ 可能被氧化生成 Cl₂，且會引入新的陰離子雜質，增加後續分離負擔；本流程後續目標為硫酸鹽體系，用硫酸可保持陰離子一致、不引入新雜質。（若題目後文明確是氯化物體系，則鹽酸可用——判斷依據永遠是「後續體系要不要這個陰離子」。）

採分點　三個離子方程式各1分（配平、H⁺ 而非分子式）；濾渣Ⅰ為 SiO₂（2分）；三項作用各1分；Cl⁻ 引入新雜質（2分）＋後續體系一致性（1分）。

易錯點　① 把氧化物寫成與 H₂SO₄ 分子的方程式而非離子方程式；② 漏寫 SiO₂ 不反應；③ 只寫「加快反應」不寫「提高浸出率」；④ 答「鹽酸更便宜所以用鹽酸」（未從雜質角度論證）。

三、題2 調 pH 除雜：為什麼先氧化

題目　浸出液中含 Cu²⁺、Fe³⁺、Fe²⁺（部分鐵被還原）、Al³⁺。已知常溫下開始沉澱與沉澱完全的 pH（示意數據）：

(1) 為什麼要先加氧化劑把 Fe²⁺ 氧化為 Fe³⁺？寫出一種合適的氧化劑及離子方程式。
(2) 應把 pH 調到什麼範圍？濾渣Ⅱ主要成分是什麼？
(3) 調 pH 可選 CuO、NaOH、氨水中的哪一種？說明理由。

(1) 規範作答　由表可知 Fe²⁺ 沉澱完全需 pH 9.0，而 Cu²⁺ 在 pH 4.7 就開始沉澱；若不氧化，除去 Fe²⁺ 之前 Cu²⁺ 已大量損失。氧化為 Fe³⁺ 後可在 pH 3.2 就沉澱完全，與 Cu²⁺ 之間有了可分離的窗口。
合適氧化劑：H₂O₂（酸性）——2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ = 2Fe³⁺ + 2H₂O；優點是還原產物為水，不引入新雜質。（也可用 Cl₂、MnO₂ 等，但會引入 Cl⁻ 或 Mn²⁺，需說明後續可除去；優先選不引入雜質的。）

(2) 規範作答　要讓 Fe³⁺ 與 Al³⁺ 都沉澱完全（需 pH ≥ 4.8），同時 Cu²⁺ 尚未開始沉澱（需 pH < 4.7）——數據出現衝突。按題目設定的示意數據，應取 3.2 ≤ pH < 4.7 先除盡 Fe³⁺，此時 Al³⁺ 部分沉澱；若要求 Al³⁺ 也除盡，則需改用其他方法（如加入能使 Al³⁺ 選擇性分離的試劑，或分步沉澱後重溶），不能直接把 pH 提到 4.8 以上。
本題教學點：真實題目裡 pH 窗口一定留得開；做題必須先核對「雜質沉澱完全 pH < 目標開始沉澱 pH」是否成立，不成立就要說明，不能硬寫一個範圍。濾渣Ⅱ主要為 Fe(OH)₃（及部分 Al(OH)₃）。

(3) 規範作答　選 CuO。CuO 消耗 H⁺ 使 pH 上升：CuO + 2H⁺ = Cu²⁺ + H₂O，引入的是目標離子 Cu²⁺，不引入新雜質，且過量 CuO 不溶可隨濾渣一起過濾除去。NaOH 會引入 Na⁺，氨水會引入 NH₄⁺ 且過量 NH₃ 能與 Cu²⁺ 形成 [Cu(NH₃)₄]²⁺ 配離子造成目標物損失，均不合適。

採分點　(1) 用表中數據說明 Fe²⁺ 與 Cu²⁺ 窗口衝突（2分）＋氧化劑方程式（2分）＋不引入雜質（1分）；(2) 範圍 3.2≤pH<4.7（2分）＋濾渣成分（1分）＋指出數據衝突需另法（1分）；(3) 選 CuO（1分）＋不引入新雜質且過量可濾除（2分）＋排除氨水的配位原因（1分）。

易錯點　① 不先氧化直接調 pH；② 只寫「調 pH 使鐵沉澱」不寫具體範圍與依據；③ 選 NaOH／氨水（引入 Na⁺、NH₄⁺ 或形成配離子）；④ 忽略「過量試劑能否濾除」這一問。

四、題3 除雜試劑的通則

題目　除去下列體系中的雜質，各選一種試劑並說明理由：
① CuSO₄ 溶液中混有少量 Fe₂(SO₄)₃；
② NaCl 溶液中混有少量 Na₂CO₃；
③ CO₂ 氣體中混有少量 HCl。

參考答案

① 加 CuO（或 Cu(OH)₂、CuCO₃），調 pH 使 Fe³⁺ 水解生成 Fe(OH)₃ 沉澱後過濾；引入的是 Cu²⁺，不帶來新雜質，過量固體隨濾渣除去。不能加 NaOH（引入 Na⁺，且局部過鹼會使 Cu(OH)₂ 一併沉澱）。
② 加適量鹽酸：CO₃²⁻ + 2H⁺ = CO₂↑ + H₂O，雜質轉化為氣體逸出，引入的 Cl⁻ 正是體系已有陰離子。不能加 CaCl₂／BaCl₂（雖能沉澱碳酸根，但會引入 Ca²⁺/Ba²⁺ 新陽離子且過量難除）。
③ 通過飽和 NaHCO₃ 溶液洗氣：HCl + HCO₃⁻ = Cl⁻ + CO₂↑ + H₂O，既除去 HCl 又不消耗 CO₂（同離子效應抑制 CO₂ 溶解）。不能用 NaOH 溶液或飽和 Na₂CO₃（會把目標 CO₂ 一併吸收）。

採分點　每條「試劑 + 方程式 + 不引入新雜質／不損失目標物」各2分；能寫出被排除試劑的錯因各加1分。

易錯點　① 只寫試劑不寫理由與方程式；② 忽略「不損失目標物」（用 NaOH 洗 CO₂）；③ 忽略「過量試劑能否除去」；④ 忘記氣體除雜要考慮目標氣體在洗液中的溶解。

五、浸出與除雜清單

• □ 先讀原料表：目標元素、雜質、不反應脈石（SiO₂ 常作濾渣Ⅰ）；
• □ 酸浸寫離子方程式；粉碎／加熱／攪拌分別對應接觸面積、速率、傳質，落點是浸出率；
• □ 試劑選擇看後續體系的陰離子，不隨意換酸；
• □ 調 pH 前先核對窗口：雜質沉澱完全 pH < 目標開始沉澱 pH；不成立要說明並換方法；
• □ Fe²⁺ 常需先氧化成 Fe³⁺；氧化劑優選 H₂O₂（產物為水，不引入雜質）；
• □ 調 pH 優選含目標元素的氧化物/碳酸鹽（CuO），過量可濾除；
• □ 排除 NaOH（引入 Na⁺）、氨水（配位溶解 Cu²⁺）、BaCl₂（引入 Ba²⁺）；
• □ 氣體除雜用洗氣液時，檢查目標氣體會不會被吸收；
• □ 每個答案寫「試劑 + 方程式 + 理由」三件，方程式配平、↑↓ 與條件別漏。

工藝流程前兩問看似繁瑣，其實只考一句：把雜質變成能分開的東西，同時別把新的麻煩帶進來。原料表 + 這條鐵律，足夠拆開浸出與除雜。