黃海云

摘要：通過(guò)對(duì)工藝流程圖題中實(shí)例原型的提煉與概括，抽象出分析解決常見(jiàn)問(wèn)題的策略方法，以形成分析式、歸類式與程序式等模型，為解決工藝流程圖題提供類比參考。在應(yīng)用“模型法”協(xié)助學(xué)生解決工藝流程圖題時(shí)，要注重引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖，并逐步豐富與完善模型，以提升學(xué)生解決問(wèn)題的正確性和創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：模型；模型法；工藝流程圖題

文章編號(hào)：1005–6629（2015）1–0084–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

工藝流程圖題是對(duì)化工生產(chǎn)過(guò)程（或化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程）進(jìn)行概括與抽象，將主要操作步驟或物質(zhì)轉(zhuǎn)化用框圖與箭頭連接起來(lái)，并以文字、表格或圖像補(bǔ)充相關(guān)信息，然后針對(duì)流程中涉及到的中學(xué)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)問(wèn)[1]。工藝流程圖題綜合了元素化合物、反應(yīng)原理以及實(shí)驗(yàn)操作等知識(shí)內(nèi)容，能考查學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的綜合能力，已成為化學(xué)高考試題中常見(jiàn)的題型。

將分析與解決工藝流程圖題中常見(jiàn)問(wèn)題的策略方法進(jìn)行提煉與概括，抽象出解決此類問(wèn)題的通用模式，稱之為模型。類比遷移模型去解決工藝流程圖題，可以使復(fù)雜的工藝流程問(wèn)題變得簡(jiǎn)單而有規(guī)律，能夠使解題過(guò)程模式化、程序化與規(guī)范化，從而能夠有效地突破工藝流程圖題。

1 建構(gòu)模型

建構(gòu)模型，就是把研究對(duì)象，即實(shí)例原型的一些次要細(xì)節(jié)及非本質(zhì)內(nèi)容舍去，將解決問(wèn)題的分析思路與步驟方案進(jìn)行提煉與概括，并用符號(hào)、線條與圖形等形式，簡(jiǎn)化和理想化原型中的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系[2]。依據(jù)實(shí)例原型建構(gòu)模型會(huì)比較直觀、具體，學(xué)生應(yīng)用起來(lái)也會(huì)比較自如。

案例1 建構(gòu)工藝流程圖分析模型

（2013江蘇，16）以菱鎂礦（主要成分為MgCO3，含少量FeCO3）為原料制備高純氧化鎂的實(shí)驗(yàn)流程如下：

該工藝是先將化工原料菱鎂礦用稀硫酸進(jìn)行預(yù)處理，然后除去不溶于稀硫酸的雜質(zhì)——濾渣1。再將雜質(zhì)Fe2+經(jīng)H2O2氧化為Fe3+，之后通過(guò)加入NH3·H2O調(diào)高pH以除去Fe（OH）3——濾渣2。最后將MgSO4溶液蒸干得到MgSO4固體，再用木炭還原制備高純度MgO。在實(shí)驗(yàn)流程中，“用木炭還原MgSO4制備MgO”是該實(shí)驗(yàn)的主要目的，稱之為核心反應(yīng)，其他實(shí)驗(yàn)操作都是為了鋪墊或延續(xù)該核心反應(yīng)。

結(jié)合其他一些工藝流程圖，可以概括抽象出工藝流程圖的一般組成與流程順序：預(yù)處理原料→除雜→核心反應(yīng)→分離產(chǎn)品→提純產(chǎn)品等。其中制得目標(biāo)產(chǎn)品是工藝流程的宗旨，整個(gè)流程操作都是圍繞著此宗旨而進(jìn)行。工藝流程圖的一般分析模型如下：

流程圖中箭頭進(jìn)入的是投料（即反應(yīng)物）、出去的是生成物（包括主產(chǎn)物和副產(chǎn)物）。在工藝流程圖中，將各個(gè)部分按照一定順序連接在一起的紐帶稱之為主線，常見(jiàn)的主線有：以物質(zhì)轉(zhuǎn)化為主線、以物質(zhì)轉(zhuǎn)化的設(shè)備為主線、以物質(zhì)轉(zhuǎn)化的操作為主線以及混合型主線等[3]。除主線之外，雜質(zhì)及副產(chǎn)物為支線，可循環(huán)利用的物質(zhì)則采用回頭線。

2 模型的種類

根據(jù)模型的形態(tài)與應(yīng)用功能，模型可分為分析式模型、歸類式模型與程序式模型等。

2.1 分析式模型

分析表征問(wèn)題是解決問(wèn)題的前提和條件，分析式模型是以分析問(wèn)題為主，凸顯問(wèn)題的整體結(jié)構(gòu)與分析思路。比如，“案例1”為工藝流程圖的分析模型。

2.2 歸類式模型

將工藝流程中諸如原料的預(yù)處理、除雜、產(chǎn)品的分離與提純等常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行歸類，以形成解決同類問(wèn)題不同方法的歸類式模型。歸類式模型有利于學(xué)生優(yōu)化認(rèn)知結(jié)構(gòu)，能夠提升學(xué)生表征問(wèn)題的準(zhǔn)確性，這也是高三化學(xué)復(fù)習(xí)中常用的建模方式。

案例2 工藝流程中的除雜方法

在進(jìn)行核心反應(yīng)之前，要將無(wú)關(guān)雜質(zhì)除去，以排除雜質(zhì)對(duì)核心反應(yīng)及提純產(chǎn)品的干擾。因此，什么是雜質(zhì)以及如何除去雜質(zhì)都要依據(jù)核心反應(yīng)及目標(biāo)產(chǎn)品來(lái)確定。工藝流程中常見(jiàn)的除雜方法有：

（1）沉淀法。既可以通過(guò)加入沉淀劑直接沉淀雜質(zhì)離子，也可以通過(guò)沉淀轉(zhuǎn)化間接除去。比如，（2014四川，11）加入MnS，通過(guò)轉(zhuǎn)化為溶解度更小的沉淀物，以除去MnSO4溶液中含有的Cu2+與Ni2+雜質(zhì)。

（2）調(diào)pH法。當(dāng)原料用酸浸進(jìn)行預(yù)處理后，溶液呈現(xiàn)強(qiáng)酸性，加入物質(zhì)消耗部分H+會(huì)使溶液的pH升高，通過(guò)控制溶液pH的方法可以將雜質(zhì)離子沉淀除去。比如，加入CuO、Cu（OH）2、CuCO3或Cu2（OH）2CO3等將溶液的pH調(diào)高至3.7～5.2，可以除去CuSO4溶液中混有的Fe3+雜質(zhì)。

2.3 程序式模型

對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析表征后，就進(jìn)入了解決問(wèn)題的操作環(huán)節(jié)。將解決問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或步驟以簡(jiǎn)明扼要的形式進(jìn)行羅列，凸顯其條理性與可操作性，便形成了程序式模型。

案例3 氧化還原反應(yīng)類型離子方程式的書(shū)寫(xiě)程序

方程式的書(shū)寫(xiě)是分析工藝流程圖題的工具，并據(jù)此來(lái)分析流程圖中各部分的成分。方程式的書(shū)寫(xiě)除根據(jù)框圖信息確定反應(yīng)物、生成物外，對(duì)于氧化還原類型離子方程式的書(shū)寫(xiě)則需要依據(jù)一定的程序步驟。

比如，（2013安徽，27）H2O2將CeO2還原為Ce3+，具體的書(shū)寫(xiě)程序?yàn)椋?/p>

（1）根據(jù)框圖信息及元素化合價(jià)升降原理寫(xiě)出氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物等；

CeO2+H2O2→Ce3++O2↑

（2）利用電子轉(zhuǎn)移相等配平氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物；

2CeO2+H2O2→2Ce3++O2↑

（3）根據(jù)電荷守恒在方程式兩邊補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)目的H+或OH-。

2CeO2+H2O2+6H+→2Ce3++O2↑

（4）根據(jù)原子守恒配平方程式，如補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)目的H2O等。

2CeO2+H2O2+6H+=2Ce3++O2↑+4H2O

3 “模型法”的應(yīng)用策略

工藝流程圖題是由題頭、流程圖、問(wèn)題三部分組成，題頭一般是簡(jiǎn)單介紹工藝生產(chǎn)的原料或工業(yè)生產(chǎn)的目的；流程圖主要用框圖的形式將操作或物質(zhì)轉(zhuǎn)換或原料到產(chǎn)品的主要工藝流程表示出來(lái)；問(wèn)題部分主要是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的化學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)成系列問(wèn)題。

在解決工藝流程圖題時(shí)，首先要以流程圖為分析平臺(tái)，通過(guò)提取題頭、問(wèn)題信息分析流程圖，同時(shí)借助于“工藝流程圖分析模型”進(jìn)行類比解讀。然后將待解決的具體問(wèn)題轉(zhuǎn)化為容易解決的模型問(wèn)題。最后將解決模型問(wèn)題中的分析方法或程序步驟遷移至待解決的問(wèn)題中，從而形成解決實(shí)際問(wèn)題的策略方案。

應(yīng)用“模型法”解決工藝流程圖題的思路如下：

其中，解決工藝流程圖題的關(guān)鍵是分析與理解工藝流程圖，分析與理解流程圖的程度直接決定了解題的準(zhǔn)確度。

案例4 工藝流程圖的分析方法

（2014江蘇，16）實(shí)驗(yàn)室用粉煤灰（主要含Al2O3、SiO2等）制備堿式硫酸鋁[Al2（SO4）x（OH）6-2x]溶液，并用于煙氣脫硫研究。

應(yīng)用“模型法”分析解決此題時(shí)，首先要從粉煤灰的成分切入，利用各步反應(yīng)的方程式，分析各步操作后混合液的主要成分，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒔Y(jié)合“工藝流程圖分析模型”厘清各步操作的作用。

酸浸是為了將Al2O3處理轉(zhuǎn)化為Al3+，之后的過(guò)濾Ⅰ操作是為了除去SiO2雜質(zhì)。接著加入CaCO3粉末消耗H+，以調(diào)高混合液的pH，使Al3+水解為堿式硫酸鋁，之后進(jìn)行過(guò)濾Ⅱ操作除去CaSO4雜質(zhì)。最后，再用堿式硫酸鋁溶液吸收煙氣SO2并進(jìn)行研究。具體分析如下：

化學(xué)模型是一種理想化的范式，而實(shí)際問(wèn)題情境又復(fù)雜多樣，因此，在應(yīng)用模型類比遷移解決具體問(wèn)題時(shí)，要審辨問(wèn)題的本質(zhì)和側(cè)重點(diǎn)，這樣才能夠做到靈活地應(yīng)用模型而不被模型所束縛。比如，上述流程圖中，在“核心反應(yīng)”之后，不僅有“分離提純”以制備堿式硫酸鋁，還增加了“堿式硫酸鋁溶液繼續(xù)作為吸收SO2煙氣脫硫研究”的“后續(xù)研究”內(nèi)容。

4 “模型法”的教學(xué)策略

4.1 引導(dǎo)學(xué)生繪制工藝流程圖

解決工藝流程圖題的關(guān)鍵是學(xué)會(huì)分析流程圖，引導(dǎo)學(xué)生繪制流程圖，以直觀、簡(jiǎn)潔的圖式展示實(shí)驗(yàn)全貌，既能夠消除學(xué)生對(duì)流程圖的神秘感和畏懼感，還能夠加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵操作和核心物質(zhì)的理解，并能夠提升學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)和概括實(shí)驗(yàn)的能力。因此，要積極開(kāi)發(fā)課本中的實(shí)驗(yàn)素材價(jià)值，分模塊、按章節(jié)逐步引導(dǎo)學(xué)生繪制并使用流程圖。

案例5 繪制流程圖

人教版必修2（2007年3月第3版）P91“實(shí)驗(yàn)4-2”，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)“檢驗(yàn)海帶中的碘元素”的實(shí)驗(yàn)步驟繪制實(shí)驗(yàn)流程圖：

課本中可引導(dǎo)學(xué)生畫(huà)出流程圖的實(shí)驗(yàn)還有：

（1）人教版選修5（2007年2月第2版）P42“科學(xué)探究”，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)“溴乙烷中溴元素檢驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)流程圖。

（1）人教版選修5（2007年2月第2版）P82“科學(xué)探究”，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)“蔗糖水解溶液的還原性實(shí)驗(yàn)”的流程圖。

……

4.2 豐富與完善模型

通過(guò)實(shí)例原型建構(gòu)起來(lái)的模型，內(nèi)容相對(duì)比較單一，隨著應(yīng)用內(nèi)容與范圍的不斷拓展，模型的內(nèi)涵與外延也在不斷地豐富與完善。當(dāng)累積到一定階段，就有必要對(duì)模型進(jìn)行重整與升級(jí)，以協(xié)助學(xué)生建構(gòu)更加完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并提升學(xué)生解決問(wèn)題的準(zhǔn)確性與創(chuàng)新性。

案例6 晶體的制備方法與提純

通過(guò)創(chuàng)設(shè)“從NaCl與KNO3混合液中分別提純制得NaCl晶體與KNO3晶體”問(wèn)題情境，將蒸發(fā)結(jié)晶法與降溫結(jié)晶法整合在一起，具體整理如下：

當(dāng)然，也可以把NaCl與KNO3混合液趁熱過(guò)濾得到NaCl晶體后，直接將母液冷卻結(jié)晶，即可析出KNO3晶體。

如果要對(duì)晶體粗品進(jìn)行提純，則要按照如下操作流程：將晶體粗品配成熱的飽和溶液→升溫結(jié)晶（或冷卻結(jié)晶）→趁熱過(guò)濾（或過(guò)濾）→洗滌→將晶體繼續(xù)配成熱的飽和溶液→……。將晶體粗品經(jīng)過(guò)多次提純后，便能得到一定純度的晶體。上述多次結(jié)晶的操作稱之為重結(jié)晶。

參考文獻(xiàn)：

[1]王保強(qiáng).化學(xué)工藝流程圖題的命題特點(diǎn)和應(yīng)對(duì)策略[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（8）：64～66.

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