安徽 李先強(qiáng)

全國(guó)卷化學(xué)試題的考查中，工藝流程題作為核心題型已在高考中多次出現(xiàn)。此類題目信息含量多，難度大。學(xué)生在作答時(shí)往往尋找不到正確的解題思路或在細(xì)節(jié)的處理上存在這樣及那樣的問題。為了幫助學(xué)生進(jìn)一步了解工藝流程題，并方便與廣大同仁探討，現(xiàn)筆者將工藝流程題的命題特征和解題思路歸納如下。

1.考查形式

工藝流程題往往選擇工業(yè)廢渣為原料，從其中分離或生產(chǎn)某種有用物質(zhì)為設(shè)計(jì)思路。選擇的素材往往來(lái)自于實(shí)際的生產(chǎn)工藝，以符合高中學(xué)生知識(shí)和能力要求的方式呈現(xiàn)，以流程圖的形式給出。體現(xiàn)了高考考綱中要求學(xué)生對(duì)廢舊物質(zhì)再生和綜合利用的了解。工藝流程圖的兩個(gè)核心考點(diǎn)為物理分離和化學(xué)反應(yīng)，目的在于得到純凈的目標(biāo)產(chǎn)物。流程圖中的每個(gè)“→”代表一個(gè)過程，基本模板如下：

2.答題思路

(1)一看原料和目標(biāo)產(chǎn)物，根據(jù)元素守恒，與目標(biāo)產(chǎn)物含有相同元素的原料即為主原料，然后分析兩者所含主元素的化合價(jià)是否相同，從而判斷在工藝流程中是否發(fā)生氧化還原反應(yīng)。若發(fā)生了氧化還原反應(yīng)可從流程中尋找發(fā)生在哪一步，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)方程式如何書寫。原料中的其他物質(zhì)作為廢渣必然要從整個(gè)流程中通過物理方法分離出去。即根據(jù)原料的成分及目標(biāo)產(chǎn)物確定原料中各物質(zhì)的去向，和通過什么反應(yīng)達(dá)到這種去向。

(2)二看流程圖，觀察主線和支線。主線涉及產(chǎn)物的生成，支線涉及廢渣的分離和流程中其他必要物質(zhì)的加入。工藝流程中的相關(guān)反應(yīng)通常是在溶液體系中進(jìn)行。所以原料的預(yù)處理方法通常為粉碎，反應(yīng)和分離所采取的措施通常為水浸或酸浸。流程中發(fā)生的反應(yīng)通常為離子反應(yīng)。分離出的雜質(zhì)通常為通過水浸或酸浸難以溶解的沉淀或在溶液中通過離子反應(yīng)新生成的沉淀。分離手段一般為過濾。目標(biāo)產(chǎn)物的生成通常通過氧化還原反應(yīng)完成。

(3)把反應(yīng)原料帶入工藝流程圖中，根據(jù)流程圖中前后物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系確定在每一步驟中各物質(zhì)的存在形式。流程圖中難以確定的信息可從題目中尋找。從而確定在每一個(gè)細(xì)節(jié)中對(duì)應(yīng)的物理分離方法和化學(xué)反應(yīng)過程。工藝流程題一定要結(jié)合流程圖將原料中給出的任何一種元素找到最終的歸宿。以及從起點(diǎn)到終點(diǎn)發(fā)生了哪些反應(yīng)。

(4)常見的設(shè)問方式。工藝流程題是一種模擬情境，圍繞解決一個(gè)實(shí)際問題考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?duì)相關(guān)化學(xué)原理的理解和應(yīng)用。按照整個(gè)工藝由前至后，題目由易到難的順序展開設(shè)問，常見的設(shè)問方式為原料預(yù)處理的手段和原因分析。原料預(yù)處理常采用的手段為粉碎、加熱、適當(dāng)提高酸的濃度等，所有這些目的都在于加快后續(xù)反應(yīng)的速率。濾渣的成分，根據(jù)流程分析濾渣來(lái)自于原料還是在反應(yīng)過程中新生成的沉淀。氧化還原反應(yīng)方程式的配平或陌生化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫，此類題目需要從流程中判斷反應(yīng)物，產(chǎn)物和反應(yīng)條件，所有這些信息都可以從發(fā)生這步反應(yīng)對(duì)應(yīng)的箭頭前的物質(zhì)、箭頭后的物質(zhì)以及箭頭上的內(nèi)容得到。反應(yīng)條件的優(yōu)化選擇，考慮的因素為反應(yīng)速率，反應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)化率，當(dāng)反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率較高時(shí)反應(yīng)時(shí)間較短的為最優(yōu)的反應(yīng)條件?？裳h(huán)利用的物質(zhì)，從流程圖上觀察，既需要添加進(jìn)去又能分離出來(lái)的物質(zhì)，即箭頭指向主線和指出主線重疊的物質(zhì)為可循環(huán)利用的物質(zhì)。溶液中通過離子反應(yīng)生成沉淀，結(jié)合Ksp進(jìn)行計(jì)算以及轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率的計(jì)算等。

(5)此類題目對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力的要求。①離子反應(yīng)和離子共存。包括題目中涉及的離子反應(yīng)方程式的書寫和流程圖中其他離子以難溶物的形式進(jìn)行分離除雜。運(yùn)用離子反應(yīng)和離子共存可以從總體上把握流程圖中從原料到目標(biāo)產(chǎn)物的基本過程。②氧化還原反應(yīng)。在流程圖中反應(yīng)原料向目標(biāo)產(chǎn)物的生成和某些特殊離子的除雜(如Fe2+先轉(zhuǎn)化成Fe3+再水解除去等)基本上是通過氧化還原反應(yīng)完成的。同時(shí)通過氧化還原反應(yīng)中得失電子守恒和原子守恒進(jìn)行轉(zhuǎn)化率或產(chǎn)率以及轉(zhuǎn)移電子數(shù)等的相關(guān)計(jì)算。③化學(xué)平衡原理和平衡移動(dòng)。分析流程圖中某步反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化以及計(jì)算平衡轉(zhuǎn)化率和平衡常數(shù)等。④沉淀溶解平衡及Ksp的計(jì)算和相關(guān)元素化合物性質(zhì)等。

3.高考真題示例

(2017年全國(guó)Ⅰ卷，第27題)Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦(主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質(zhì))來(lái)制備，工藝流程如下：

回答下列問題：(略)

TiO2·xH2O與雙氧水和氨水發(fā)生非氧化還原反應(yīng)生成可溶性(NH4)2Ti5O15

【答題要點(diǎn)】(1)為反應(yīng)條件的選擇，本題只涉及反應(yīng)條件的選擇，不涉及比較。只要滿足題設(shè)要求均可，所以有兩個(gè)符合要求的答案即100℃、2 h，90℃、5 h。(2)書寫離子方程式，按照氧化還原反應(yīng)方程式配平原則進(jìn)行。(3)轉(zhuǎn)化率分析。通常這類問題前半部分轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而升高是速率的影響，后半部分轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低是由于平衡在逆向移動(dòng)，移動(dòng)的原因可能為反應(yīng)放熱，反應(yīng)物受熱分解等。(4)是借助工藝流程題考查物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵類型和沉淀溶解平衡的計(jì)算。