河北 張建民 李子春

《中國高考評(píng)價(jià)體系說明》中要求“基于學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向確定應(yīng)考查學(xué)科的關(guān)鍵能力與必備知識(shí)”“關(guān)鍵能力是高考考查中的重點(diǎn)內(nèi)容”。確立“能力立意”的命題形式之一就是創(chuàng)設(shè)情境設(shè)置工藝流程題目，命題特點(diǎn)是創(chuàng)設(shè)生產(chǎn)生活或?qū)W術(shù)探索情境，重點(diǎn)考查學(xué)生分析與推測能力。

一、工藝流程命題考查的內(nèi)容

工藝流程題目是元素化合物知識(shí)的深入考查和綜合測評(píng)，試題的命題意圖是拓展元素化合物知識(shí)寬度和實(shí)驗(yàn)思維的角度與深度，考查學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，提升關(guān)鍵能力，命題設(shè)計(jì)凸顯綜合性與應(yīng)用性，2019—2021年全國卷及2021年新高考部分省份選擇性考試中考查內(nèi)容分析如表1所示。

表1

二、工藝流程命題的考查視角與策略

由表1的分析可以總結(jié)出工藝流程有四個(gè)高頻考點(diǎn)：礦料預(yù)處理措施、核心反應(yīng)原理書寫、反應(yīng)條件控制或最佳反應(yīng)條件選擇和物質(zhì)分離方法。

1.礦料預(yù)處理措施

礦料預(yù)處理的目的是把固體礦料處理為溶液或熔融狀態(tài)，便于除去雜質(zhì)，為分離得到所需產(chǎn)品提供便利條件。

【例1】(2021·全國乙卷·26節(jié)選)磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節(jié)約和充分利用資源，通過如下工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖1

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH見表2。

表2

回答下列問題：

(1)“焙燒”中，TiO2、SiO2幾乎不發(fā)生反應(yīng)，Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽。寫出Al2O3轉(zhuǎn)化為NH4Al(SO4)2的化學(xué)方程式_______________。

【解題策略】礦料的預(yù)處理是解決工藝流程問題的第一個(gè)環(huán)節(jié)，綜合考查學(xué)生分析與推測能力，讓學(xué)生在解決實(shí)際工業(yè)問題過程中形成思維模型。預(yù)處理工序的落腳點(diǎn)是通過物理方法或化學(xué)方法除去部分雜質(zhì)，同時(shí)發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，便于后續(xù)分離提純或制備物質(zhì)。所以首先要分析這個(gè)環(huán)節(jié)有無物質(zhì)轉(zhuǎn)化、怎樣轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化的目的，在處理過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是什么。常見的預(yù)處理方式有水浸、酸浸、堿浸、鹽浸、醇浸，這樣的處理主要是把礦料處理為溶液，進(jìn)行渣液分離為后續(xù)工序做準(zhǔn)備；礦料的預(yù)處理還可以采取高溫煅燒、焙燒等措施，高溫煅燒的目的主要是使一些物質(zhì)轉(zhuǎn)化，如例題中“焙燒”的目的是使Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的硫酸鹽，高溫煅燒還可以使一些雜質(zhì)在高溫下氧化、分解而逸出反應(yīng)體系。

常見預(yù)處理的目的如表3所示。

表3

2.核心反應(yīng)原理書寫

核心反應(yīng)原理的書寫是學(xué)生解決工藝流程問題的最大障礙，學(xué)生要通過試題情境提煉關(guān)鍵信息，確定反應(yīng)物和生成物，結(jié)合環(huán)境條件配平反應(yīng)方程式。核心反應(yīng)的書寫是考查學(xué)生對(duì)流程中各環(huán)節(jié)物質(zhì)變化的分析推測，利用化學(xué)用語對(duì)反應(yīng)過程的符號(hào)表達(dá)。整個(gè)過程可以構(gòu)建如下思維模型：

圖2

【例2】(2020·全國卷Ⅰ·26題節(jié)選)釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5價(jià)的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖3

該工藝條件下，溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示：

金屬離子Fe3+Fe2+Al3+Mn2+開始沉淀pH1.97.03.08.1完全沉淀pH3.29.04.710.1

回答下列問題：

(5)“調(diào)pH”中有沉淀生成。生成沉淀反應(yīng)的化學(xué)方程式是_______________。

【解題策略】核心反應(yīng)的書寫能力考查比較綜合，學(xué)生要通過前后關(guān)聯(lián)推測物質(zhì)，分析反應(yīng)過程，結(jié)合流程環(huán)境，能熟練地用化學(xué)用語表達(dá)反應(yīng)過程，構(gòu)建如圖4的方法模型：

圖4

3.物質(zhì)分離操作

工藝流程題中也會(huì)基于實(shí)驗(yàn)思維考查物質(zhì)分離方法，分離操作的目的是為了獲得產(chǎn)品除去雜質(zhì)。

【例3】(2021·河北省選擇性考試·15節(jié)選)綠色化學(xué)在推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。某科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種熔鹽液相氧化法制備高價(jià)鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產(chǎn)生廢棄物，實(shí)現(xiàn)了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內(nèi)循環(huán)。工藝流程如圖5：

圖5

回答下列問題：

(2)工序①的名稱為________。

(3)濾渣Ⅰ的主要成分是________(填化學(xué)式)。

【答案】(2)溶解浸出

(3)MgO和Fe2O3

【解析】本題解題的要點(diǎn)是抓住關(guān)鍵工藝“不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產(chǎn)生廢棄物，實(shí)現(xiàn)制備高價(jià)鉻鹽，同時(shí)實(shí)現(xiàn)Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內(nèi)循環(huán)”，從流程中Na2CrO4溶液的出現(xiàn)和依據(jù)工序④處理的NaAlO2溶液得Al(OH)3的提示，Cr元素發(fā)生變價(jià)制備鉻鹽，Al元素在連續(xù)高溫氧化步驟中變?yōu)镹aAlO2，溶于水后成為溶液，通入過量氣體A成為Al(OH)3，所以氣體A是CO2氣體，CO2氣體是空氣的一種成分沒有利用其他資源，流程中NaOH溶液循環(huán)(Na+內(nèi)循環(huán))已經(jīng)給出，所以連續(xù)高溫氧化的是Cr元素和Fe元素，即通過水溶操作得到Na2CrO4溶液和NaAlO2溶液，過濾得濾渣Mg(OH)2和Fe2O3，此題進(jìn)行物質(zhì)分離的操作多次用到“過濾”。

【解題策略】物質(zhì)分離操作要注意把握操作要點(diǎn)，掌握常見的物質(zhì)提純與分離方法：過濾、分液、蒸餾和蒸發(fā)結(jié)晶等。操作要點(diǎn)包括試劑選取、實(shí)驗(yàn)裝置選擇和操作方法，?？嫉奈镔|(zhì)分離與提純基本方法如表4所示。

表4

4.條件控制的選擇

條件控制主要是控制溫度和溶液pH值，都是為獲得產(chǎn)品服務(wù)，控制恰當(dāng)條件更容易除去雜質(zhì)或生成產(chǎn)品。

【例4】(2020·全國卷Ⅰ·26題節(jié)選)(題干略)

(3)“中和沉淀”中，釩水解并沉淀為V2O5·xH2O，隨濾液②可除去金屬離子K+、Mg2+、Na+、________，以及部分的________。

(4)“沉淀轉(zhuǎn)溶”中，V2O5·xH2O轉(zhuǎn)化為釩酸鹽溶解。濾渣③的主要成分是________。

【答案】(3)Mn2+Al3+和Fe3+

(4)Fe(OH)3

【解析】此題最大的亮點(diǎn)是分析三次調(diào)控pH：3.013、pH=8.5。“酸浸氧化”后雜質(zhì)金屬離子有K+、Mg2+、Fe3+、Al3+、Mn2+，“中和沉淀”加入NaOH，pH在3.0～3.1之間，由第三問的設(shè)問和溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH數(shù)據(jù)可知K+、Mg2+、Na+在濾液中，另外的Mn2+還未開始沉淀，也存在于濾液中；而Fe3+、Al3+部分沉淀，還未沉淀完全；所以“沉淀轉(zhuǎn)溶”時(shí)，pH大于13，F(xiàn)e3+沉淀完全，濾渣③的主要成分是Fe(OH)3，濾液中還有的雜質(zhì)為NaAlO2。

【解題策略】條件控制分為控制溫度和溶液pH。分析調(diào)節(jié)pH的主要目的，即調(diào)節(jié)pH是為了除去雜質(zhì)還是生成產(chǎn)品，如例題中的三次調(diào)節(jié)pH均是為了除去雜質(zhì)；溫度控制的出發(fā)點(diǎn)主要分析兩個(gè)層面：物質(zhì)本身性質(zhì)和反應(yīng)原理。如控制溫度變化考慮物質(zhì)的分解性、溶解度，升溫考慮加快速率化學(xué)反應(yīng)。構(gòu)建方法模型：

表5

三、結(jié)語

總之，解答工藝流程試題要建立元素守恒觀念，瞻前(礦料)顧后(產(chǎn)品)，確定保留元素和去除的雜質(zhì)元素，構(gòu)建整體思維框架，要多視角分析核心反應(yīng)和物質(zhì)分離措施，做到規(guī)范書寫反應(yīng)方程式，準(zhǔn)確、簡潔答題。