杜德祥

(昆明市第一中學(xué)，云南 昆明 650031)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中明確指出[1]：“真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機(jī)會”——這闡述了命制這一類型試題的必要性；“試題情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)緊密聯(lián)系學(xué)生學(xué)習(xí)和生活實際，體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境發(fā)展的成果，注重真實情境的針對性、啟發(fā)性、過程性和科學(xué)性”——這闡述了命題時對情境的要求；“將試題的測試任務(wù)融入真實、有意義的測試情境”——這闡述了考查方式。每一年的高考中都出現(xiàn)以真實的工業(yè)生產(chǎn)流程作為命題的素材和情境的試題，正是這一精神的具體體現(xiàn)，也是這一精神對高考命題的要求。

1 為什么要考工業(yè)流程題

試題源于生產(chǎn)實際，能充分體現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的觀點，學(xué)以致用，這是知識的價值體現(xiàn)；試題內(nèi)容豐富，涉及的基礎(chǔ)知識和基本技能較為全面，能較好地考查學(xué)生對“雙基”的掌握情況；題目難度整體為中等偏上，分值較大，區(qū)分度好。

2 工業(yè)流程題的特點

以真實的化工生產(chǎn)過程為情境設(shè)計試題，該題型是將元素化合物知識與工業(yè)生產(chǎn)工藝結(jié)合起來，將化工生產(chǎn)過程中的主要生產(chǎn)階段用框圖流程形式表示出來。試題新穎，一般文字較長，閱讀量大，能夠很好地考查學(xué)生的閱讀能力和信息的收集處理能力。該類試題主要要解決以下問題：1)分析、弄懂生產(chǎn)過程中原料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的化學(xué)原理；2)利用化學(xué)基本操作除去所含雜質(zhì)并分離提純產(chǎn)品；3)循環(huán)利用中間產(chǎn)物以及控制條件以提高原材料的轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率；4)減少污染，考慮綠色化學(xué)生產(chǎn)。試題的一般形式如圖1。

圖1 工業(yè)流程題的一般形式

3 工業(yè)流程題的解題策略

1)自始至終都要高度關(guān)注：元素的“來”“去”“留”。即要保留什么元素，工藝過程中加入了什么元素，要除掉什么元素。牢固樹立起“微粒觀”。

首先要明確原料是什么物質(zhì)，含有哪些成分，含有什么元素以及各元素的化合價，目標(biāo)產(chǎn)物是什么物質(zhì)，含有什么成分，還含有什么元素以及各元素的化合價；關(guān)注化合價，目的是為了分析出工藝過程中需要加入氧化劑、還原劑或其它試劑。牢固樹立起“變化觀”。

2)關(guān)注箭頭：主線箭頭——主產(chǎn)品、支線箭頭——副產(chǎn)品、回頭箭頭——循環(huán)品。

3)利用試題關(guān)鍵信息及每一步流程后生成的物質(zhì)的形態(tài)、組成，仔細(xì)分析有關(guān)過程，結(jié)合物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)(含一些特性)，利用化學(xué)基礎(chǔ)知識和基本化學(xué)原理，仔細(xì)分析每一工藝或試劑的作用。

①原料處理階段

除去雜質(zhì)，避免干擾核心反應(yīng)。為核心反應(yīng)提供合適的條件，如溫度、壓強(qiáng)、酸堿性、增大反應(yīng)的接觸面積等。常見的原料預(yù)處理方式有：a)粉碎及目的：減小粒徑以增大反應(yīng)的接觸面積、加快反應(yīng)速率(生產(chǎn)中攪拌也能加快反應(yīng)速率)、提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；b)煅燒及目的：除去有機(jī)物雜質(zhì)或含碳雜質(zhì)、使一些具有還原性的物質(zhì)被空氣中氧氣氧化；c)溶解：酸溶(浸)——與酸反應(yīng)；堿溶(浸)——與堿反應(yīng)；水溶(浸)——溶解于水或者與水反應(yīng)；氧化還原溶(浸)——通過改變化合價，溶解難溶物。

②核心反應(yīng)階段

③產(chǎn)品精制階段

如何減少或除去產(chǎn)品中的雜質(zhì)(運用哪些實驗方法)。在此過程中要注意減少產(chǎn)品損失，通過中間產(chǎn)物或副產(chǎn)物的循環(huán)利用；或者通過恰當(dāng)?shù)膶嶒灢僮鳎岣咴侠寐?，降低成本，防止產(chǎn)品變質(zhì)等。

4)工藝過程中需要考慮的一些內(nèi)容

①酸堿性控制。一般考慮三個方面的內(nèi)容：a)提供反應(yīng)所需要的酸堿性環(huán)境;b)促進(jìn)水解或抑制水解;c)與試題提供的物質(zhì)發(fā)生那些反應(yīng)。

②溫度控制。a)據(jù)試題提供的反應(yīng)條件，考慮一些反應(yīng)物或生成物的熔沸點及性質(zhì)(如控制某些物質(zhì)為固態(tài)、液態(tài)，另一些物質(zhì)為氣態(tài)等;又如溫度過高H2O2易分解、氨水易揮發(fā)等)；b)考慮溫度對促進(jìn)或抑制水解或電離的影響；c)考慮某些反應(yīng)物或生成物在某個溫度下可能會發(fā)生不利于生產(chǎn)流程的副反應(yīng)；d)考慮溫度對化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的影響從而控制適宜的化工生產(chǎn)條件。

④氧化還原反應(yīng)方程式的書寫(如2021年高考甲卷、2020年全國III卷、2019年全國II卷)。一般可以參照如下步驟進(jìn)行：a)根據(jù)元素及其化合物的性質(zhì)以及元素化合價的變化寫出氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物;b)根據(jù)最小公倍數(shù)法配平得失電子;c)完善，完善的順序一般是使左右電荷守恒→化合價未變的金屬→酸根離子→H→O。

常見的氧化劑及其主要的還原產(chǎn)物以及1 mol該氧化劑反應(yīng)時轉(zhuǎn)移的電子數(shù)：KMnO4(H+)→Mn2+(5 mol)；O2→2O2-(4 mol)；濃HNO3→NO2(1 mol)；稀HNO3→NO(3 mol)；濃H2SO4→SO2(2 mol)；X2→2X-(2 mol)；HClO→Cl-(2 mol)；Fe3+→Fe2+(1 mol)；H2O2→2H2O(2 mol)。

⑤非氧化還原反應(yīng)方程式的書寫(如2021年高考乙卷)。一般可以參照如下步驟進(jìn)行：a)因為所有元素的化合價均沒有變化，所以先根據(jù)題給信息寫出主要反應(yīng)物和主要生成物;b)配平主要元素;c)完善，完善的順序一般是使左右電荷守恒→酸根離子→H→O。

⑥沉淀的生成順序與沉淀的轉(zhuǎn)化。a)不一定是Ksp小的先沉淀，只有“同元”難溶電解質(zhì)才可用Ksp比較離子濃度的大小；b)Ksp略小的難溶電解質(zhì)也可轉(zhuǎn)化成Ksp稍大的難溶電解質(zhì)，如AgBr → AgCl；c.應(yīng)用Ksp選擇正確的沉淀順序，進(jìn)行混合物的分離；d)建議同學(xué)們掌握表1常見離子完全沉淀時大約的pH的計算方法；

表1 常見離子完全沉淀時溶液的pH值

e)有一個經(jīng)常被考到的知識點，應(yīng)該引起我們足夠的重視，那就是工業(yè)上使用的原材料中常常含有鐵元素(原因：在自然界中鐵的含量較高，且是人類使用最多的金屬元素)。而很多工藝中又必須除盡鐵元素。操作方法常常是：在工藝的某個環(huán)節(jié)加入H2O2或其它合適的氧化劑，如氧氣、空氣等，先將Fe2+氧化為Fe3+，然后再加堿或合適的物質(zhì)，調(diào)整溶液的pH=4，達(dá)到除盡鐵元素的目的。例如，2020年全國III卷中要除去Ni2+中的Fe2+，方法為先加H2O2或氧氣或空氣(如果加入氯水，則會引入新的雜質(zhì))，將Fe2+氧化為Fe3+，然后再除去Ni2+中的Fe3+；2019年全國III卷中，氧化Mn2+中的Fe2+，用的氧化劑是MnO2。以人教版2004年初審?fù)ㄟ^的《選修4 化學(xué)反應(yīng)原理》P66的“練習(xí)”為例，進(jìn)行詳細(xì)的分析。

例：在粗制CuSO4·5H2O晶體中常含有雜質(zhì)Fe2+。在提純時，為了除去Fe2+，常加入少量H2O2，使Fe2+氧化為Fe3+，然后再加入少量堿至溶液pH=4，可以達(dá)到除去Fe3+而不損失CuSO4的目的。試解釋原因(在常溫下討論)。

⑦分離提純物質(zhì)常用的六種方法(從原理、裝置、操作要點以及所涉及到的儀器的名稱、使用要求等角度進(jìn)行學(xué)習(xí)掌握)：a)過濾、洗滌、干燥(掌握沉淀的洗滌方法以及沉淀是否洗凈的檢驗方法);b)蒸發(fā)結(jié)晶;c)蒸發(fā)濃縮，冷卻結(jié)晶，過濾、洗滌、干燥;d)萃取、分液;e)蒸餾與分餾，用的是直形冷凝管;f)冷凝或冷凝回流(注意：冷凝時常采用的兩種方式：①若生成物的沸點比反應(yīng)物更低，一般使用直形冷凝管而不能用球形或蛇形冷凝管，裝置類似于蒸餾裝置，目的是及時蒸出生成物，使平衡正向移動，從而提高產(chǎn)率；②若生成物的沸點比反應(yīng)物更高，一般要冷凝回流反應(yīng)物，故使用球形或蛇形冷凝管比使用直形冷凝管冷凝效果更佳，在安裝裝置時要豎直安裝冷凝管，目的是冷凝回流反應(yīng)物，從而提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率)。

5)規(guī)范答題

②相似類推。根據(jù)元素周期律，利用元素及其同類化合物性質(zhì)的相似性推斷陌生物質(zhì)的性質(zhì)和相關(guān)反應(yīng)。

③表達(dá)。a)切忌空洞。如一般不能出現(xiàn)如“除去雜質(zhì)”這樣的答案，而常常應(yīng)該答為“除去……中的……”。b)圍繞目的答題。c)形成一些答題的范式。如：從平衡的角度分析有關(guān)的變化，答題模版一般為：……(某種變化或某種操作)，化學(xué)平衡向正或逆反應(yīng)方向移動，從而提高或降低反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。d)杜絕答非所問(如誤將化學(xué)方程式寫成離子方程式等)。

6)具體實例

例(2021年高考理綜乙卷)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完全沉淀的pH見下表

金屬離子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+開始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4 沉淀完全的pH(c=1.0×10-5 moL·L-1)3.2 4.7 11.1 13.8

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，寫出Al2O3轉(zhuǎn)化為NH4Al(SO4)2的化學(xué)方程式__________。

(2)“水浸”后“濾液”的pH 約為2.0，在“分布沉淀”時氨水逐步調(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”，最合適的酸是______。“酸溶渣”的成分是______。

(5)“酸溶”后，將溶液適當(dāng)稀釋并加熱，TiO2+水解析出TiO2·xH2O 沉淀，該反應(yīng)的離子方程式是__________。

(6)將“母液①”和“母液②”混合，吸收尾氣，經(jīng)處理得__________，循環(huán)利用。

4 結(jié)語

解答工業(yè)流程題時，形成良好的解題習(xí)慣非常重要。首先關(guān)注原料及原料中各元素的化合價，關(guān)注產(chǎn)物的成分及各元素的化合價，關(guān)注工藝中的箭頭，箭頭的方向其實反映了原料中元素的去向；其次分析各環(huán)節(jié)所涉及到的化學(xué)原理及基本的實驗操作；作答時務(wù)必準(zhǔn)確具體而不空洞。