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        物質(zhì)循環(huán)利用在高考題中的應(yīng)用

        2021-04-09 04:46:02山東
        關(guān)鍵詞:工藝流程選擇題電極

        山東

        一、研究背景

        我國在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時,環(huán)境問題也日益顯著,綠色化學(xué)成為了解決當(dāng)前環(huán)境能源問題的重要手段之一,落實綠色化學(xué)理念也成為化學(xué)工作者的目標(biāo)。實現(xiàn)綠色化學(xué)的途徑之一就是通過物質(zhì)的循環(huán)利用,節(jié)約原料、降低生產(chǎn)成本,近幾年高考便通過這類試題體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的理念。物質(zhì)的循環(huán)利用主要出現(xiàn)在工藝流程題中,原因在于工業(yè)生產(chǎn)需實現(xiàn)反應(yīng)物用量最小化、利用率和產(chǎn)率最大化,最終實現(xiàn)效益最大化的目標(biāo),因此能夠深化學(xué)生“綠色化學(xué)”的理念,發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的學(xué)科核心素養(yǎng)。該題型在近三年部分高考題中的考查見下表。

        試卷考查形式考查內(nèi)容2020年全國卷Ⅰ選擇題102020年全國卷Ⅱ選擇題11借助反應(yīng)歷程圖中物質(zhì)的循環(huán)考查催化劑利用2020年全國卷Ⅲ非選擇題27(6)借助工藝流程題考查母液循環(huán)利用的意義山東省2020年普通高中學(xué)業(yè)水平等級考試化學(xué)試題,以下簡稱山東卷選擇題9C借助工藝流程題考查循環(huán)物質(zhì)的判斷非選擇題16(3)借助工藝流程題考查實現(xiàn)循環(huán)的操作工序2019年全國卷Ⅰ非選擇題26(4)2018年全國卷Ⅱ非選擇題26(4)借助工藝流程題考查實現(xiàn)循環(huán)的操作工序

        通過對比近三年的高考題發(fā)現(xiàn)都涉及了物質(zhì)循環(huán),多數(shù)題卷傳統(tǒng)地以工藝流程題為載體進(jìn)行考查,參與循環(huán)的物質(zhì)多是銨鹽?!镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版2020年修訂)》以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出“知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程對調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義”。2020年全國卷Ⅰ、全國卷Ⅱ以《課程標(biāo)準(zhǔn)》為準(zhǔn),以陌生的反應(yīng)歷程圖為載體,考查學(xué)生循環(huán)思想和解圖分析的能力,難度有所增加,也為后期的復(fù)習(xí)備考指明了方向。

        二、考查方式

        考查角度一、借助物質(zhì)的循環(huán)考查催化劑利用

        催化劑在反應(yīng)中通過改變反應(yīng)過程從而改變反應(yīng)速率,能通過循環(huán)利用達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。

        【例1】(2020·全國卷Ⅰ·10)銠的配合物離子[Rh(CO)2I2]-可催化甲醇羰基化,反應(yīng)過程如圖1所示。

        圖1

        下列敘述錯誤的是

        ( )

        A.CH3COI是反應(yīng)中間體

        C.反應(yīng)過程中Rh的成鍵數(shù)目保持不變

        【答案】C

        【點睛】對于反應(yīng)歷程圖的分析,最基本的是判斷反應(yīng)物、產(chǎn)物以及催化劑;催化劑一般地在機理圖中多是以完整的循環(huán)出現(xiàn)的;反應(yīng)物則是通過一個箭頭進(jìn)入整個歷程的物質(zhì);產(chǎn)物一般多是通過一個箭頭最終脫離整個歷程的物質(zhì)。

        考查角度二、借助物質(zhì)的循環(huán)考查電化學(xué)知識

        在利用電化學(xué)方法制取某些物質(zhì)或除掉某些污染物時,電解質(zhì)中某些物質(zhì)可以循環(huán)利用,起到了類似催化劑的作用,這樣可以降低生產(chǎn)成本,節(jié)約原料。解答這類問題時需要根據(jù)電極反應(yīng)和總反應(yīng),分析哪些物質(zhì)可以循環(huán)利用。

        圖2

        (1)該電解池的陽極為________,電極反應(yīng)式為

        ____________________。

        (2)該電解池的陰極為________,電極反應(yīng)式為

        ____________________。

        (3)總反應(yīng)為________。電解制備需要在無水條件下進(jìn)行,原因為。

        電解池中可以循環(huán)利用的物質(zhì)是________。

        【解析】結(jié)合圖示可知電解法制備二茂鐵,要得到Fe2+,所以要用Fe作陽極。Na+在陰極被還原為Na,再將環(huán)戊二烯還原為氫氣和環(huán)戊二烯負(fù)離子,進(jìn)而得到二茂鐵。若電解在水溶液中進(jìn)行,則被還原的不是Na+而是H2O,電離出的OH-與Fe2+反應(yīng)生成Fe(OH)2。反應(yīng)中Na+不斷被還原為Na單質(zhì),Na單質(zhì)繼續(xù)還原環(huán)戊二烯,所以NaBr在電解池中循環(huán)利用。

        【例3】(2019·全國卷Ⅲ·28節(jié)選)在傳統(tǒng)的電解氯化氫回收氯氣技術(shù)的基礎(chǔ)上,科學(xué)家最近采用碳基電極材料設(shè)計了一種新的工藝方案,主要包括電化學(xué)過程和化學(xué)過程,如圖3所示。負(fù)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)有________(寫反應(yīng)方程式)。電路中轉(zhuǎn)移1 mol電子,需消耗氧氣________L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

        圖3

        【點睛】解題步驟一般是先看反應(yīng)原理、裝置圖以及題干信息,再寫出電極反應(yīng)式和電極產(chǎn)物,最后利用電極產(chǎn)物與溶液中的微粒發(fā)生反應(yīng),通過第二步反應(yīng)達(dá)到制備所需物質(zhì)或減少污染的目的。

        考查角度三、借助物質(zhì)的循環(huán)考查能量的綜合利用

        如果能夠較大程度的利用太陽能,便會減少化石燃料的使用,那么,如何借助物質(zhì)的循環(huán)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,再利用化學(xué)能提高太陽能的利用效率,是科學(xué)研究的方向,同時也是考題方向。

        【例4】(2018·北京卷·27節(jié)選)近年來,研究人員提出利用含硫物質(zhì)熱化學(xué)循環(huán)實現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)化與存儲。過程如圖4:

        圖4

        反應(yīng)Ⅱ的熱化學(xué)方程式:。

        【點睛】此類問題常以含有某種化學(xué)元素的物質(zhì)為載體,經(jīng)過熱化學(xué)循環(huán)實現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)化和儲存,含該元素的化合物不斷進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)化。主要考查蓋斯定律的應(yīng)用,解題關(guān)鍵是能分析出物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,考查學(xué)生靈活運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

        考查角度四、借助物質(zhì)的循環(huán)考查物質(zhì)的制備

        工業(yè)制取某些物質(zhì)時,可能由于熔點、壓強、能量消耗等原因?qū)е履承┓磻?yīng)難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),但如果將反應(yīng)設(shè)計成多步完成或加入某些物質(zhì)則可克服這些困難,這樣既可以降低能耗,也可以降低對設(shè)備的要求,如電解氧化鋁制取鋁單質(zhì)時加入冰晶石可以降低氧化鋁的熔點,且冰晶石可以循環(huán)利用。

        【例5】如圖是以太陽能為熱源,熱化學(xué)硫碘循環(huán)分解水是一種高效、無污染的制氫方法.其反應(yīng)過程如圖5所示:

        圖5

        (1)反應(yīng)Ⅰ中,發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為

        (2)反應(yīng)Ⅲ中,反應(yīng)前后化合價發(fā)生改變的元素是________;

        (3)在整個反應(yīng)過程中,SO2、H2SO4、I2、HI都在循環(huán)使用,其中制得H2中氫元素最初來源于________(填化學(xué)式),氫能相較于傳統(tǒng)的化石能源,其最大優(yōu)勢是。

        (4)反應(yīng)Ⅰ得到的產(chǎn)物用I2進(jìn)行分離。該產(chǎn)物的溶液在過量I2的存在下會分成兩層——低濃度I2的H2SO4層和高濃度的I2的HI層。

        ①根據(jù)上述事實,下列說法正確的是________(選填序號)。

        a.兩層溶液的密度存在差異

        b.加I2前,H2SO4溶液和HI溶液不互溶

        c.I2在HI溶液中比在H2SO4溶液中易溶

        ②辨別兩層溶液的方法是。

        (2)H、I

        (3)H2O 對環(huán)境沒有污染

        (4)①ac ②觀察顏色,顏色深的是HI層,顏色淺的是硫酸層 ③硫酸層中含有少量HI

        【點睛】這類問題以元素化合物的轉(zhuǎn)化為載體,考查物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化。解決這類問題的關(guān)鍵要學(xué)會分析圖像,獲取相關(guān)的信息,找準(zhǔn)哪種物質(zhì)是循環(huán)利用的物質(zhì),通過題干的圖示中各物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系,找出物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)換。

        三、解題策略

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