聯招化學·工藝流程（三）：母液循環與綠色化學評價

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、三條評價主線

① 閉環意識：母液、濾液、洗滌液裡還帶著什麼（目標離子、可溶性雜質、過量試劑），循環回去會不會累積；② 定量意識：原子利用率 = （目標產物式量×係數 / 全部反應物式量×係數）×100%，與目標產率不是一回事；③ 綠色化學三維：資源（回收/循環）、能耗（溫度/步驟數）、汙染（三廢與副產物），評價必須三維都點到，並給出可操作的改進。

簡化流程（自編）：含 CuO 礦石 → 稀硫酸浸出 → 氧化除鐵、調 pH → 過濾 → 濾液蒸發濃縮、冷卻結晶得 CuSO₄·5H₂O → 母液。母液中仍含 Cu²⁺、少量 SO₄²⁻ 對應的酸、以及未除盡的可溶性雜質（Na⁺/K⁺ 類、少量 Fe²⁺/Al³⁺）。

二、題1 母液循環：會累積什麼

題目　(1) 母液直接返回浸出工序循環使用，有什麼好處？
(2) 長期循環會累積哪類物質？帶來什麼問題？
(3) 提出兩條處理辦法。

(1) 規範作答　母液中含有未結晶的 Cu²⁺ 與殘餘硫酸，返回浸出可回收目標銅離子、減少硫酸用量、提高原料利用率，同時減少含重金屬廢液排放（1分＋1分＋1分）。

(2) 規範作答　會累積不被結晶帶走的可溶性雜質離子：如調 pH 時引入的 Na⁺/K⁺（若用 NaOH 等）、未除盡的 Fe²⁺/Al³⁺、以及礦石中伴生的 Mg²⁺、Ca²⁺ 等。後果：① 雜質濃度逐輪升高，最終達到飽和而隨產品析出或共結晶，降低 CuSO₄·5H₂O 純度；② 改變溶液離子強度與酸度，影響浸出與結晶條件；③ 嚴重時堵塞管道、影響過濾（2分＋1分＋1分）。
注意：Cu²⁺ 與 SO₄²⁻ 不會無限累積——它們在結晶步驟被不斷取出，屬目標物；命題人考的正是「哪些離子沒有出口」。

(3) 規範作答（任寫兩條）
① 定期抽出一部分母液單獨處理（開路排放 + 回收銅後達標排放），其餘返回，控制雜質濃度上限；
② 抽出部分先除雜再回用：如調 pH 沉澱 Fe³⁺/Al³⁺、或加沉澱劑除去 Ca²⁺/Mg²⁺，過濾後返回；
③ 從源頭減少引入：調 pH 改用 CuO/CuCO₃ 代替 NaOH，不引入 Na⁺；
④ 對母液中的銅單獨回收（如置換/電解沉積）後再決定是否循環。

採分點　(1) 三點各1分；(2) 指出「可溶性雜質離子累積」（2分）＋純度下降（1分）＋說明目標離子不會累積（1分，加分）；(3) 兩條各2分，須具體可操作。

易錯點　① 只答「節約成本、減少汙染」不寫「回收 Cu²⁺ 與餘酸」；② 誤以為 Cu²⁺ 會累積；③ 處理辦法寫「多過濾幾次」（過濾不能除去溶解的離子）；④ 忘記從源頭避免引入 Na⁺ 這一最省事的辦法。

三、題2 原子利用率計算

題目　用兩種路線製備硫酸銅（式量：CuSO₄ 160，Cu 64，H₂SO₄ 98，H₂O 18，H₂ 2，SO₂ 64，O₂ 32，CuO 80）：
路線甲：Cu + 2H₂SO₄(濃) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
路線乙：2Cu + O₂ = 2CuO，CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O
(1) 分別計算兩條路線的原子利用率（以 CuSO₄ 為目標產物）；
(2) 從綠色化學角度評價哪條更優，並說明兩條理由。

(1) 規範作答　原子利用率 = [M(目標產物) × 化學計量數 / Σ M(反應物) × 化學計量數] × 100%。

路線甲：反應物總式量 = 64 + 2×98 = 64 + 196 = 260；目標產物 1 mol CuSO₄ = 160。
原子利用率 = 160/260 × 100% ≈ 61.5%。（副產物 SO₂、H₂O 中的原子未進入目標產物。）

路線乙：把兩步合併得總反應 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + 2H₂O；反應物總式量 = 2×64 + 32 + 2×98 = 128 + 32 + 196 = 356；目標產物 2 mol CuSO₄ = 320。
原子利用率 = 320/356 × 100% ≈ 89.9%。（注意：若把兩步分開各自算再相加是錯的，必須按總反應算。）

(2) 規範作答　路線乙更優。理由：
① 原子利用率更高（89.9% > 61.5%），硫酸中的硫全部進入產品，副產物只有水；
② 路線甲產生 SO₂ 有毒氣體，需額外吸收處理，且消耗濃硫酸、需加熱、設備腐蝕與能耗更高；路線乙用稀硫酸、條件溫和，汙染與能耗都更低；
③ 補充：路線乙多一步氧化焙燒，步驟數增加是其代價，但綜合環境成本仍優於甲（體現辯證，加分）。

採分點　寫出原子利用率公式（1分）；甲 61.5%（2分）；乙按總反應算（2分）＋89.9%（1分）；選擇乙（1分）；兩條理由各2分（須含定量對比與SO₂ 汙染）；辯證補充（1分）。

易錯點　① 把原子利用率與產率混為一談（產率是實際產量/理論產量，與副產物無關）；② 乙按兩步分別算再相加；③ 忘記乘化學計量數（2CuSO₄、2H₂SO₄）；④ 評價只寫「更環保」不引用百分數。

四、題3 三維評價與改進

題目　某流程包含「高溫焙燒（800 ℃）→ 酸浸 → 蒸發濃縮結晶 → 母液外排」四步。請從資源、能耗、汙染三個維度各指出一處可改進之處，並說明理由。

參考答案

補充一條常被單獨設分的點：減少步驟數本身也是綠色化學原則——少一步就少一份試劑、少一份廢液、少一段能耗；若能把「焙燒 + 酸浸」合併為一步溼法浸出，三維同時受益。

採分點　三維各2分（每維必須「指出問題 + 具體改進 + 理由」三件齊）；減少步驟數（1分）；不寫空泛口號（整體1分）。

易錯點　① 只寫「要節能環保、減少汙染」（無具體措施，幾乎不給分）；② 三維漏答一維；③ 改進與問題不對應（如「母液外排」卻答「加除塵器」）；④ 忘記母液循環需控制雜質累積，一味寫「全部循環」。

五、流程評價清單

• □ 看閉環：母液裡哪些離子沒有出口（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、未除盡 Fe/Al），它們才會累積；目標離子會被結晶帶走；
• □ 循環辦法：部分開路 + 除雜後回用 + 源頭不引入（調 pH 用 CuO 而非 NaOH）；過濾除不掉溶解離子；
• □ 原子利用率按合併後的總反應算，別分步相加；與產率嚴格區分；
• □ 算式中乘足化學計量數，目標產物與反應物都別漏係數；
• □ 綠色化學三維固定：資源（循環回收）、能耗（溫度/步驟/餘熱）、汙染（三廢與副產物）；
• □ 每條評價寫「問題 + 具體措施 + 理由」，並儘量引用百分數或具體物質（SO₂、Cu²⁺）；
• □ 記得辯證：步驟增加、設備投資也是代價，寫一句更完整；
• □ 方程式配平、↑↓ 與條件寫全，結果帶單位與 %。

流程壓軸問的不再是「這一步加什麼」，而是「整條線劃不划算、乾不乾淨」。抓住閉環、原子、三維這三把尺，評價題就有話可寫、有數可依。