廣東 王金樂

1.無機(jī)工藝流程題的特點(diǎn)

無機(jī)工藝流程題是以真實(shí)的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)為試題情境，規(guī)?；刂苽浠蛱峒兡承┊a(chǎn)品，體現(xiàn)了物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)資源綜合開發(fā)與利用中的重要作用。無論是在高考全國卷中，還是在各省市自主命題的試卷中，工藝流程題的考頻都較高?；凇吨袊呖荚u價體系》的理念，下表列出了近3年全國卷Ⅰ中的無機(jī)工藝流程題考查的多維細(xì)目表，涉及了情境素材、必備知識、關(guān)鍵能力、涵蓋的化學(xué)核心素養(yǎng)、考查的方程式設(shè)問個數(shù)及分值占比。

2019—2021年全國卷Ⅰ無機(jī)工藝流程題的考查要點(diǎn)

1.1 無機(jī)工藝流程題的試題結(jié)構(gòu)

從表格可以看出，一般的無機(jī)工藝流程題的試題結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

1.2 信息方程式的考查價值

從圖1可以看出，無機(jī)工藝流程題的核心是物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)方程式則是化學(xué)反應(yīng)的重要表征，是化學(xué)用語的核心。由表1可知，基于化工情境的信息化學(xué)方程式(含離子方程式、電極反應(yīng)式)考查分值約為4分，占比較大。這是考查信息方程式書寫的顯性價值。無機(jī)工藝流程題中的“流程”“框圖”“箭頭”等可視化的表征是題目的“明線”；而形式多樣的化學(xué)反應(yīng)便是化工生產(chǎn)工藝逐步推進(jìn)的“暗線”。只有分析清楚了每一步發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，準(zhǔn)確地把握物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，才能判斷濾液及濾渣成分，科學(xué)地調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝條件，進(jìn)而選擇合理的分離提純方法，最終不斷提高化工生產(chǎn)的綜合效益，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的綠色可持續(xù)發(fā)展。信息方程式的書寫貫穿整個工藝流程分析的始末，起到承上啟下的作用，這體現(xiàn)了考查的隱形價值。

綜合來看，無機(jī)工藝流程題中的信息方程式書寫是考查重點(diǎn)，很多時候也是考查難點(diǎn)之一。因此教師在高考復(fù)習(xí)備考的過程中，開展無機(jī)工藝流程題中的信息方程式書寫等專題復(fù)習(xí)十分必要。

2.信息方程式的書寫

信息方程式的書寫是指利用已知信息(日常學(xué)習(xí)積累和題給信息)，結(jié)合物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)的原理和規(guī)律，通過聯(lián)想、類比、遷移等方法書寫化學(xué)方程式。

2.1 信息方程式的類型

在具體的無機(jī)工藝流程題的試題情境中，信息方程式包含陌生的化學(xué)方程式、離子方程式、電極反應(yīng)式或者電池總反應(yīng)式。從化學(xué)反應(yīng)的分類來看，信息方程式主要包括兩類化學(xué)反應(yīng)——氧化還原反應(yīng)和非氧化還原反應(yīng)。已有大量論文介紹氧化還原反應(yīng)類型的信息方程式書寫的方法、策略，筆者不再贅述。本文著重從物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)平衡思想等角度入手，探討無機(jī)工藝流程題中的信息方程式書寫策略。

2.2 信息方程式與能力素養(yǎng)

化學(xué)方程式是化學(xué)語言，是化學(xué)學(xué)科特有的表征手段，它搭建起了微觀世界與宏觀世界的溝通橋梁。在復(fù)雜的無機(jī)工藝流程試題情境中，考生須全面整合信息，厘清流程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，運(yùn)用理解與辨析、分析與推測等化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力，才能完成信息方程式的書寫。它旨在培養(yǎng)學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想等核心素養(yǎng)。教師可通過考試、復(fù)習(xí)、專題訓(xùn)練等引導(dǎo)學(xué)生建立氧化還原反應(yīng)型和非氧化還原反應(yīng)型的信息方程式書寫的解題模型，提升學(xué)生的歸納與論證等關(guān)鍵能力和證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

2.3 物質(zhì)結(jié)構(gòu)思想與平衡思想

筆者所說的“物質(zhì)結(jié)構(gòu)思想”是指通過化合物類型、化學(xué)鍵類型等性質(zhì)并結(jié)合元素周期律等遞變性規(guī)律，將反應(yīng)物合理地拆分為正電性部分和負(fù)電性部分。在化學(xué)反應(yīng)過程中，一種反應(yīng)物的正電性部分與另一種反應(yīng)物的負(fù)電性部分結(jié)合，逐步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。該思想方法也可以稱為“電性重組”，俗稱“異性相吸”。

“平衡思想”是指在無機(jī)工藝流程題的物質(zhì)轉(zhuǎn)化情境中，根據(jù)題干前后信息，將電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡和絡(luò)合平衡等原理、規(guī)律靈活運(yùn)用起來，多角度分析物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，完成信息方程式的書寫。

3.信息方程式的書寫例析

3.1 基于物質(zhì)結(jié)構(gòu)書寫信息方程式

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)是化學(xué)學(xué)科的核心思想。然而多數(shù)學(xué)生對“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”望而生畏，覺得抽象難懂，更談不上靈活運(yùn)用。筆者認(rèn)為，教師在日常教學(xué)中應(yīng)該適時滲透物質(zhì)結(jié)構(gòu)的思想，幫助學(xué)生建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認(rèn)知模型，可以事半功倍。

3.1.1 離子化合物類型

【例1】寫出實(shí)驗(yàn)室用電石(CaC2)制備乙炔(C2H2)氣體的化學(xué)方程式。

圖2

【例2】Mg3N2遇H2O水解產(chǎn)生白色沉淀和能使?jié)駶櫟募t色石蕊試紙變藍(lán)且有刺激性氣味的氣體，請寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。

【思維程序】根據(jù)現(xiàn)象推測白色沉淀為Mg(OH)2，氣體為NH3。類比教材《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》中實(shí)驗(yàn)室制取乙炔氣體的反應(yīng)可知Mg3N2為離子化合物，由Mg2+和N3-構(gòu)成；H2O是弱電解質(zhì)，可電離出OH-和H+，根據(jù)電性重組分析過程如圖3所示。

圖3

3.1.2 共價化合物類型

【例3】(2021·廣東省適應(yīng)性考試·18·節(jié)選)綜合利用煉鋅礦渣[主要含鐵酸鎵Ga2(Fe2O4)3、鐵酸鋅ZnFe2O4]獲得3種金屬鹽，并進(jìn)一步利用鎵鹽制備具有優(yōu)異光電性能的氮化鎵(GaN)，部分工藝流程如圖4所示。

圖4

(5)GaN可采用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積)技術(shù)制得：以合成的三甲基鎵為原料，使其與NH3發(fā)生系列反應(yīng)得到GaN和另一種產(chǎn)物，該過程的化學(xué)方程式為______________________________。

【思維程序】由題意可知“MOCVD”工序中的化學(xué)反應(yīng)為Ga(CH3)3與NH3反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物GaN和另一種產(chǎn)物。由分析可知Ga(CH3)3與NH3均為共價化合物，顯然NH3中N原子顯負(fù)電性，H原子顯正電性；Ga(CH3)3分子中心原子Ga為金屬元素，與之成鍵的C原子為非金屬元素，原子吸引電子能力C>Ga，故Ga—C共價鍵中C原子顯負(fù)電性，Ga原子顯正電性。其分析過程如圖5所示，根據(jù)電性重組，反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物GaN和副產(chǎn)物CH4。

圖5

【例4】硼及其化合物在工業(yè)上有許多用途。以鐵硼礦(主要成分為Mg2B2O5·H2O和Fe3O4，還有少量Fe2O3、FeO、CaO、Al2O3和SiO2等)為原料制備硼酸(H3BO3)的工藝流程如圖6所示：

圖6

(5)單質(zhì)硼可用于生產(chǎn)具有優(yōu)良抗沖擊性能的硼鋼。以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼，用化學(xué)方程式表示制備過程：

。

【思維程序】“以硼酸和金屬鎂為原料可制備單質(zhì)硼”，該反應(yīng)體系涉及氧化還原反應(yīng)，H3BO3中的B(Ⅲ)被金屬鎂還原為單質(zhì)硼，那么鎂元素最終的存在形式呢？從H3BO3分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，由于非金屬性B

圖7

3.2 基于平衡思想書寫信息方程式

3.2.1 電離平衡與沉淀溶解平衡

【例5】(2019·全國卷Ⅲ·26節(jié)選)高純硫酸錳作為合成鎳鈷錳三元正極材料的原料，工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦(還含F(xiàn)e、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素)制備，工藝如圖8所示?；卮鹣铝袉栴}：

圖8

(6)寫出“沉錳”的離子方程式：

。

圖9

3.2.2 水解平衡與沉淀溶解平衡

【例6】(2019·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)硼酸(H3BO3)是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工業(yè)。一種以硼鎂礦(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)為原料生產(chǎn)硼酸及輕質(zhì)氧化鎂的工藝流程如圖10所示。

圖10

(4)在“沉鎂”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的離子方程式為

。

圖11

3.2.3 絡(luò)合平衡

【例7】(2021·湖北省適應(yīng)性考試·節(jié)選)某化學(xué)興趣小組通過查閱文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了從某廠陽極泥(成分為Cu、Ag2Se、Au、Pt)中回收貴重金屬的工藝，其流程如圖12所示。

圖12

(4)“酸溶”時Pt、Au分別轉(zhuǎn)化為[PtCl6]2-和[AuCl4]-，寫出Au溶解的離子方程式：

。

3.3 抓住素養(yǎng)提升的時機(jī)——競爭反應(yīng)

這兩個競爭反應(yīng)統(tǒng)一于一個體系之中，至少可以從兩個角度出發(fā)去看問題，一是難溶物[Mg(OH)2與MgCO3]的溶解度，二是反應(yīng)體系的pH。不難發(fā)現(xiàn)，其他條件不變時溶解度小的物質(zhì)更容易生成；pH增大更有利于Mg(OH)2的生成。這說明了化學(xué)變化的發(fā)生及趨勢是有條件的，并遵循一定的規(guī)律，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生多角度、動態(tài)地分析問題，發(fā)展學(xué)生的變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)。

4.結(jié)語