廣西 楊偉勇

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出，教師應(yīng)該能運(yùn)用多種認(rèn)知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。化學(xué)工藝流程題綜合性強(qiáng)，涉及高中階段所學(xué)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、水溶液中離子平衡、生產(chǎn)與技術(shù)等內(nèi)容，這需要教師引導(dǎo)學(xué)生建立這些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)和具體問題關(guān)聯(lián)的思維模型。本文著重以條件控制為例，從條件的類型、解題思路、答題規(guī)范等方面來引導(dǎo)學(xué)生，熟悉工藝流程題條件控制可能涉及的問題，在復(fù)習(xí)過程中利用合適的解題模型，形成規(guī)范有序的答題模式。理解、掌握條件控制模型，一方面是教師要落實(shí)、滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的具體體現(xiàn)；另一方面讓學(xué)生緊扣模型，不斷訓(xùn)練、對(duì)比，讓學(xué)生更清楚地了解自己解題中的優(yōu)缺點(diǎn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而提高復(fù)習(xí)效率。

一、整合條件，構(gòu)建模型

條件控制的基本思路：為什么這樣做？這樣做的優(yōu)點(diǎn)？不這樣做的缺點(diǎn)？

(一)調(diào)節(jié)反應(yīng)物的濃度

【思維模型】反應(yīng)物濃度高會(huì)怎么樣？濃度低會(huì)怎么樣？

【典型情況答題模型】

1.適當(dāng)增大反應(yīng)物酸或堿的濃度，可加快某物質(zhì)反應(yīng)(溶解)的速率，提高原料的浸出率；若反應(yīng)物酸或堿濃度太高導(dǎo)致難以擴(kuò)散，和生成物都富集于反應(yīng)物表面，會(huì)影響原料的浸出率。

(二)控制溶液的pH

【思維模型】pH的控制在考題中經(jīng)常出現(xiàn)，其實(shí)也可認(rèn)為是H+濃度改變，調(diào)pH的目的是什么？應(yīng)如何調(diào)節(jié)?調(diào)高?調(diào)低?還是調(diào)到一定范圍？采取的措施、方法是什么？

【典型例題模型】

1.調(diào)節(jié)溶液酸堿性目的：使某物質(zhì)溶解或促進(jìn)(或抑制)金屬離子水解形成氫氧化物沉淀(或不沉淀)以便分離，過程中不引入新雜質(zhì)。

2.pH<7可以是酸或酸性物質(zhì)，pH>7可以是堿或堿性物質(zhì)；pH由低調(diào)高可通過加堿(或堿性物質(zhì))或消耗H+來實(shí)現(xiàn)；pH由高調(diào)低可通過加酸(或酸性物質(zhì))或消耗OH-來實(shí)現(xiàn)。如要分離Al3+、Fe3+可以用過量NaOH溶液，強(qiáng)堿過量能溶解氫氧化鋁，NaOH溶液不能用弱堿氨水替代；如分離NaAlO2、Na2SiO3可使用過量鹽酸，強(qiáng)酸能溶解氫氧化鋁，不能用過量CO2。

4.pH范圍常涉及溶度積Ksp計(jì)算。另外緩沖溶液的pH需要保持在一定范圍，此問題在制藥、電鍍等工業(yè)常見，中學(xué)階段不介紹。

(三)控制溫度

【思維模型】結(jié)合工藝流程的目的，考慮某一溫度t℃、溫度范圍(t1～t2℃)、溫度的改變(t1℃變?yōu)閠2℃)，影響物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)，物質(zhì)發(fā)生的物理、化學(xué)變化，物質(zhì)發(fā)生的主副反應(yīng)、正逆反應(yīng)等，利用物質(zhì)的性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理等判斷措施、操作等的優(yōu)缺點(diǎn)和合理性。

【典型情況答題模型】

1.升溫情況

(1)升溫：可促進(jìn)溶液中氣體逸出，降低氣體在溶液中的溶解度，或使某物質(zhì)達(dá)到沸點(diǎn)揮發(fā)。

(2)加熱煮沸：促進(jìn)水解，聚沉后利于過濾分離；反應(yīng)前煮沸溶液的原因通常是除去溶解在溶液中的氧氣，防止某還原性物質(zhì)被氧化。

(3)趁熱過濾：減少因降溫而析出某雜質(zhì)的量，以提高產(chǎn)品純度。

(4)反應(yīng)中采取加熱措施的作用：一般是為了加快反應(yīng)速率或加速某固體的溶解，提高浸出率，或促進(jìn)某可逆反應(yīng)的平衡向某個(gè)方向移動(dòng)。

(5)焙燒、煅燒：一般氧氣參與反應(yīng)，可改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成，使生成的物質(zhì)能溶解；并使一些雜質(zhì)在高溫下氧化、分解，如煅燒將碳酸亞鐵轉(zhuǎn)化為氧化鐵。

(6)蒸發(fā)、反應(yīng)時(shí)的氣體氛圍：抑制物質(zhì)的水解，提高產(chǎn)率。如加熱MgCl2·6H2O制取無水MgCl2時(shí)，要在HCl的氣流中進(jìn)行，目的是防止MgCl2水解生成Mg(OH)2。

2.降溫情況

(1)降溫目的：防止物質(zhì)高溫分解，或揮發(fā)，或溶解(如H2O2、濃硝酸、濃氨水等)；降溫可以減少能源成本，降低對(duì)設(shè)備的要求。

(2)冰水洗滌目的：洗去晶體表面的雜質(zhì)離子并降低被洗滌物質(zhì)的溶解度，減少其在洗滌過程中的溶解損耗。

(3)冰水中反應(yīng)或降溫反應(yīng)目的：防止某物質(zhì)在高溫時(shí)會(huì)溶解或控制可逆反應(yīng)平衡移動(dòng)的方向。

3.控溫在某一范圍(t1～t2℃)

(1)蒸餾：如海水提溴后蒸餾溫度應(yīng)控制在80～90℃，溫度過高，大量水蒸氣隨溴排出，溴蒸氣中水量增加；溫度過低，溴不能完全蒸出，回收率低。

(2)控溫方式：常用水浴、冰浴或油浴，其優(yōu)點(diǎn)為容易控溫，均勻受熱。

(3)可使催化劑的活性達(dá)到最好，如微生物、酶作催化劑時(shí)溫度要在適宜的溫度范圍內(nèi)。

(4)防止副反應(yīng)的發(fā)生：如氯氣與氫氧化鉀在溫度范圍不同情況下產(chǎn)物不同，按產(chǎn)物要求可設(shè)置不同溫度范圍。

(5)控制固體的溶解與結(jié)晶

①從濾液中提取溶解度隨溫度升高而急劇增大的晶體，如從硝酸鉀和氯化鈉的混合溶液中提取硝酸鉀的方法：蒸發(fā)濃縮至有晶膜出現(xiàn)、冷卻結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥。

②從濾液中提取溶解度受溫度影響較小的晶體，如氯化鈉中有硝酸鉀，或隨溫度降低溶解度增大的晶體的方法：蒸發(fā)濃縮結(jié)晶、趁熱過濾、洗滌、干燥(如氫氧化鈣)。

③控制溫度緩慢下降，減慢結(jié)晶速度，得到較大顆粒的晶體。

(四)控制反應(yīng)體系的壓強(qiáng)

【思維模型】改變壓強(qiáng)，對(duì)有氣體參與或生成的反應(yīng)，會(huì)改變化學(xué)反應(yīng)速率，影響可逆反應(yīng)平衡移動(dòng)的方向，一般結(jié)合圖表判斷其對(duì)反應(yīng)的影響。

【典型情況答題模型】

1.減壓蒸餾(減壓蒸發(fā))的原因：減小壓強(qiáng)，使液體沸點(diǎn)降低，防止某物質(zhì)因溫度過高分解或揮發(fā)(如氯化銨受熱分解)。

2.給原料氣加壓，可增大氣體的溶解度，增大氣體與固體(液體)的接觸面積，增大反應(yīng)速率；減壓可降低對(duì)設(shè)備的要求，符合綠色化學(xué)要求。結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)圖表分析。

(五)使用催化劑

【思維、答題模型】使用催化劑，可改變反應(yīng)歷程，加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，但轉(zhuǎn)化率不變，選用什么催化劑要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)各參數(shù)來確定。

二、真題鏈接，模型剖析

結(jié)合高考真題，了解工藝流程專題條件控制如何設(shè)置問題，復(fù)習(xí)過程心中有數(shù)，目標(biāo)更明確，利用認(rèn)知模型，使學(xué)生認(rèn)知更有序，更有效。

【例1】(2021·全國甲卷·27節(jié)選)膽礬(CuSO4·5H2O)易溶于水，難溶于乙醇。某小組用工業(yè)廢銅焙燒得的CuO(雜質(zhì)為氧化鐵及泥沙)為原料與稀硫酸反應(yīng)制備膽礬?；卮鹣铝袉栴}：

(3)待CuO完全反應(yīng)后停止加熱，邊攪拌邊加入適量H2O2，冷卻后用NH3·H2O調(diào)pH為3.5～4，再煮沸10 min，冷卻后過濾。濾液經(jīng)如下實(shí)驗(yàn)操作：加熱蒸發(fā)、冷卻結(jié)晶、________、乙醇洗滌、________，得到膽礬。其中，控制溶液pH為3.5～4的目的是________,煮沸10 min的作用是______________________________。

【參考答案】過濾 干燥 除盡鐵元素并抑制硫酸銅水解 使氫氧化鐵膠體聚沉，易于過濾分離

【解析】以硫酸銅溶液制硫酸銅晶體，操作步驟有加熱蒸發(fā)、冷卻結(jié)晶、過濾、乙醇洗滌、干燥；其中用乙醇洗滌的原因是膽礬難溶于乙醇，減少其損耗。CuO中含氧化鐵雜質(zhì)，溶于硫酸后會(huì)形成鐵離子，Cu2+形成沉淀的pH范圍是4.7～6.2，F(xiàn)e3+形成沉淀的pH范圍是2.1～3.2，F(xiàn)e2+形成沉淀的pH范圍是7.6～9.6。為使鐵元素以氫氧化鐵形式沉淀完全，先用氧化劑雙氧水把Fe2+氧化為Fe3+，再調(diào)溶液的pH到3.2～3.7(題中調(diào)pH為3.5～4)，使Fe3+全部以Fe(OH)3沉淀的形式析出而Cu2+不沉淀，且不會(huì)引入新雜質(zhì)。Fe3+易水解形成Fe(OH)3膠體，煮沸10 min的目的是使氫氧化鐵膠體聚沉，使Fe3+形成沉淀析出，易于過濾分離。

【例2】(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。

該工藝條件下，有關(guān)金屬離子開始沉淀和沉淀完全的pH見下表。

金屬離子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+開始沉淀的pH2.23.59.512.4沉淀完全的pH(c=1.0×10-5 mol·L-1)3.24.711.113.8

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。

(2)“水浸”后“濾液”的pH約為2.0，在“分步沉淀”時(shí)用氨水逐步調(diào)節(jié)pH至11.6，依次析出的金屬離子是______________________________。

(3)“母液①”中Mg2+濃度為________mol·L-1。

(4)“水浸渣”在160℃“酸溶”最適合的酸是________?！八崛茉钡某煞质莀_______、________。

【參考答案】(2)Fe3+、Al3+、Mg2+

(3)1×10-6mol·L-1

(4)硫酸 SiO2CaSO4

三、原創(chuàng)命題，拓寬視野

高考試題大多數(shù)是原創(chuàng)試題，在工藝流程專題復(fù)習(xí)過程中，教師在總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上研發(fā)一些原創(chuàng)性試題，引導(dǎo)學(xué)生熟悉條件控制的思維模型，引導(dǎo)學(xué)生合理訓(xùn)練，利用認(rèn)知模型，規(guī)范答題，對(duì)拓寬學(xué)生思路也有好處。下面是著重從條件控制命題：

【原創(chuàng)題1】鈦合金有很好的耐熱強(qiáng)度、低溫韌性和斷裂韌性，廣泛用作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件和火箭、導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件。工業(yè)上常用鈦鐵礦(含F(xiàn)eTiO3、FeO、Fe2O3)制取金屬鈦并得到副產(chǎn)品綠礬(FeSO4·7H2O)。生產(chǎn)過程如下：

步驟一、用硫酸溶解原料，鈦元素轉(zhuǎn)化為Ti(SO4)2、TiOSO4；

步驟二、在溶液中加過量鐵充分反應(yīng)后，過濾除鐵，從濾液中經(jīng)一系列操作分離出副產(chǎn)品；

步驟三、

；

步驟四、煅燒偏鈦酸(H2TiO3)即制得二氧化鈦；

步驟五、將TiO2和炭粉混合加熱至730～830℃，進(jìn)行氯化處理，并使生成的TiCl4蒸氣冷凝；

步驟六、用熔融的鎂在保護(hù)氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦。這種海綿鈦經(jīng)過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，最后制成各種鈦材。

已知：FeSO4的溶解度在0℃很??；Ti(SO4)2和TiOSO4可在水中相互轉(zhuǎn)化，Ti(SO4)2溶于冷水且較穩(wěn)定，在熱水中生成TiOSO4，150℃時(shí)水解析出白色的偏鈦酸H2TiO3沉淀；鎂的熔點(diǎn)為649℃，沸點(diǎn)為1 107℃。回答下列問題：

(1)步驟一用的硫酸不能太濃的原因

。

(2)加入鐵的目的：

，

此步驟怎么得到副產(chǎn)品

。

(3)補(bǔ)充步驟三：

。

(4)①步驟六的合適溫度為________(填選項(xiàng)編號(hào))。

A.約600℃ B.約800℃

C.約1 200℃ D.約1 107℃

②保護(hù)氣可選________(填選項(xiàng)編號(hào))。

A.N2B.HCl C.Ar D.CO2

【參考答案及解析】(1)硫酸濃度太高導(dǎo)致其難以擴(kuò)散，和生成的鹽都富集于金屬氧化物表面，不利于金屬氧化物的浸出；原料中有亞鐵的存在，在工業(yè)條件下，部分硫酸被還原成二氧化硫，浪費(fèi)原料，所以硫酸濃度不宜過高。(2)加入鐵屑，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，然后將溶液蒸發(fā)濃縮，冷卻至0℃以下，使得FeSO4·7H2O(綠礬)結(jié)晶析出，過濾。(3)根據(jù)題中信息，分離出副產(chǎn)品后濾液加熱到150℃得偏鈦酸沉淀H2TiO3，過濾；(4)①由題中信息可知：鎂的熔點(diǎn)為649℃，沸點(diǎn)為1 107℃。溫度在(649℃，1 107℃)鎂為熔融態(tài)，故選B；②鎂能與A.N2，B.HCl，D.CO2反應(yīng)，故選C.Ar。

【原創(chuàng)題2】晶體硅是一種重要的非金屬材料，其用途有作太陽能電池板、半導(dǎo)體材料、電腦手機(jī)等內(nèi)存芯片。利用石英(沙子)制備純硅的主要步驟如下：

步驟一、石英(沙子)與焦炭在電弧爐中冶煉提純得到98%的工業(yè)硅。

步驟二、粗硅與干燥的HCl氣體(250～300℃，銅粉催化)反應(yīng)制得SiHCl3，副產(chǎn)品SiCl4。

步驟三、經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點(diǎn)33.0℃)中含有少量SiCl4(沸點(diǎn)57.6℃)，因SiHCl3和SiCl4制硅的條件不同，SiHCl3和SiCl4要分離。

步驟四、SiHCl3與過量的H2在1 100～1 200℃的溫度下反應(yīng)制得純硅。

已知SiHCl3能與水劇烈反應(yīng)生成(HSiO)2O，SiHCl3在空氣中易自燃生成SiO2?；卮鹣铝袉栴}：

(1)工業(yè)上分離SiHCl3、SiCl4的操作方法為________，控制溫度范圍為________。

(2)該生產(chǎn)工藝中可以循環(huán)使用的物質(zhì)是________。

(3)工業(yè)上準(zhǔn)備生產(chǎn)純硅時(shí)，先________；后鼓入純凈干燥的氫氣一段時(shí)間。原因是________________，最后調(diào)到合適的溫度范圍________，合適的壓強(qiáng)才開機(jī)生產(chǎn)。

【參考答案及解析】(1)沸點(diǎn)不同互溶的液體與液體分離用蒸餾方法；溫度可選(33.0℃，57.6℃)，SiHCl3達(dá)沸點(diǎn)(33.0℃)揮發(fā)出來，而未達(dá)SiCl4的沸點(diǎn)(57.6℃)不揮發(fā)出來。(2)氯化氫、氫氣既是原料也是副產(chǎn)品可循環(huán)使用。(3)按生產(chǎn)環(huán)境要求，涉及三氯氫硅生產(chǎn)全程需要設(shè)備絕對(duì)密封，不能進(jìn)空氣，避免自燃和水解，生產(chǎn)純硅前先檢查設(shè)備的氣密性，用干燥的氫氣排凈空氣、水蒸氣等；題中給了SiHCl3與H2的反應(yīng)條件，應(yīng)選擇反應(yīng)溫度(1 100℃，1 200℃)。